Ratojen routaongelmat Suomessa - Yhdyskunta

Aalto-yliopisto
Insinööritieteiden korkeakoulu
Suvi Soininen
Ratojen routaongelmat Suomessa
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi
diplomi-insinöörin tutkintoa varten.
Espoossa 6.5.2013
Valvoja: Professori Leena Korkiala-Tanttu
Ohjaajat: DI Jaakko Heikkilä, DI Kari-Matti Malmivaara
Aalto-yliopisto, PL 11000, 00076 AALTO
www.aalto.fi
Diplomityön tiivistelmä
Tekijä Suvi Soininen
Työn nimi Ratojen routaongelmat Suomessa
Laitos Yhdyskunta- ja ympäristötekniikka
Professuuri Pohjarakennus ja maamekaniikka
Professuurikoodi Rak-50
Työn valvoja Prof. Leena Korkiala-Tanttu
Työn ohjaaja(t)/Työn tarkastaja(t) DI Jaakko Heikkilä, DI Kari-Matti Malmivaara
Päivämäärä 6.5.2013
Sivumäärä 93+4
Kieli Suomi
Tiivistelmä
Tämän diplomityön kirjallisuusselvityksen tavoitteena oli perehtyä Suomen rataverkon
routaongelmien syihin, ongelmien vaikutuksiin ja käytettyihin routakorjaustoimenpiteisiin
sekä niiden valinnan perusteisiin ja kustannuksiin. Valtaosa rataverkostamme on
rakennettu aikana, jolloin ratarakenteiden materiaaleille ja routasuojaukselle ei asetettu
nykypäivän mukaisia vaatimuksia. Routavaurioista aiheutuvat viivästykset raideliikenteessä
ovatkin olleet viime vuosina yleisiä. Radoilla routaongelmia aiheutuu kerrosroudasta, jota
syntyy, kun routivaan maalajiin alkaa muodostua jäälinssejä lämpötilan laskiessa alle nollan
asteen. Raiteille asetettujen tiukkojen tasaisuusvaatimusten vuoksi radoilla on merkitystä
myös in-situ routanousulla, jota esiintyy myös routimattomissa maalajeissa.
Routakorjaustoimenpiteiden suorittamiseen käytettävissä oleva rahamäärä on tiukasti
rajattu, joten routavaurioiden oikeiden syiden tunnistaminen ja korjaustoimenpiteiden
tapauskohtainen kohdistaminen on ensiarvoisen tärkeää. Korjaustoimenpiteiden
suunnittelussa ja toteutuksessa tulee pyrkiä elinkaaritaloudellisuuteen sekä
kustannustehokkuuteen.
Työn laskennallisen osion tavoitteena oli tutkia, miten ratarakenteeseen asennetun
routaeristelevyn paksuus ja sijainti vaikuttavat roudan tunkeutumiseen Etelä- Suomessa
Kirkkonummella ja Pohjois-Suomessa Oulussa. Laskennat suoritettiin GeoStudio 2007 –
ohjelmiston ohjelmalla TEMP/W. Routalevy asennettiin laskentatapauksissa joko
välittömästi tukikerroksen alle tai eristyskerroksen yläpintaan. Laskennassa käytettiin
routalevypaksuuksia 40 mm, 80 mm sekä 120 mm ja mitoittavana pakkasmääränä
pakkasmäärää F50. Laskentatulokset osoittivat, että kun käytettiin levypaksuuksia 40 mm
ja 80 mm, routalevyn sijainti ratarakenteessa ei vaikuttanut roudan maksimisyvyyteen.
Suurimmalla laskennassa käytetyllä levypaksuudella 120 mm routa tunkeutui sitä
syvemmälle, mitä syvemmälle levy oli asennettu. Lisäksi mallinnusosion tavoitteena oli
selvittää, miten syvä massanvaihto routalevyn alle tulee tehdä erilaisissa
laskentatapauksissa, mikäli radan alusrakennekerrosmateriaali on routivaa. Laskennassa
käytettiin routalevypaksuuksia 40 mm, 60 mm, 80 mm, 100 mm sekä 120 mm ja
mitoittavina pakkasmäärinä pakkasmääriä F10, F20 ja F50. Routalevyn alle tarvittavan
massanvaihdon syvyydet vaihtelivat suuresti. Ratateknisissä ohjeissa esitetty
massanvaihdon minimisyvyys 300 mm oli riittävä vain osassa Kirkkonummen
laskentatapauksissa. Oulun kohteessa vaadittavat massanvaihdon syvyydet olivat selkeästi
Kirkkonummen kohdetta suurempia.
Avainsanat Routa, rautatie, routakorjaustoimenpide, routaeristelevy, alusrakenne,
päällysrakenne, lämpömallinnus, elinkaarianalyysi
Aalto University, P.O. BOX 11000, 00076 AALTO
www.aalto.fi
Abstract of master's thesis
Author Suvi Soininen
Title of thesis Frost-related problems on Finnish railways
Department Transportation and Environmental Engineering
Professorship Soil Mechanics and Foundation
Engineering
Code of professorship Rak-50
Thesis supervisor Professor of Practice Leena Korkiala-Tanttu
Thesis advisor(s) / Thesis examiner(s) Jaakko Heikkilä (M.Sc.), Kari-Matti Malmivaara
(M.Sc.)
Date 6.5.2013
Number of pages
93+4
Language Finnish
Abstract
The objective of this study was to look into the problems caused by frost action on Finnish
railways. One aim of this study was also to research the most common methods of railway
track maintenance used to reduce the problems caused by frost heaving. Factors affecting
the selection of maintenance methods and their costs were also examined. The majority of
Finland’s rail network was built before the 1950’s. Back then the quality requirements for
the substructure materials and frost protection were less strict. Frost action occurs in frostsusceptible soils when temperatures drop below zero and ice lenses begin to form. Frost
heave may also occur in non-frost-susceptible soil. This phenomenon is referred to as insitu frost heave and it must also be taken into consideration because no frost heave is
allowed on main railways. Differential frost heave causes disturbance to the railway traffic
in the form of speed restrictions. The funding available for track maintenance is very limited
and therefore it is of great importance to identify the frost prone areas and determine the
causes causing frost action. In order to make track maintenance cost-effective and
sustainable the frost heave diminishing actions must be planned carefully.
Frost depth modelling was carried out with the finite element program TEMP/W. A series of
calculations were done in order to determine whether the position of the insulation slab has
an influence on the depth of frost penetration. The insulation slab was placed either directly
beneath the layer of track ballast or on top of the frost protection layer. Varying insulation
slab thicknesses and freezing indexes were used in the modelling. The calculation results
showed that when the insulation thicknesses of 40 mm and 80 mm were used, there were
no substantial differences in the maximum frost penetration depths. When the insulation
thickness of 120 mm was used, differences occurred. The deeper the insulation was placed,
the deeper the frost line penetrated. One goal of the numerical modelling was also to
determine the depth of frost penetration beneath the insulation slab in case if the
substructure materials were frost-susceptible. The frost-susceptible soil must be replaced
with non-frost-susceptible substructure materials. Based on the numerical results obtained,
it can be concluded that a greater amount of the frost susceptible soil must be replaced in
Northern Finland than in Southern Finland.
Keywords Frost, railway, track maintenance method, frost insulation slab, substructure,
superstructure, thermal modelling, life cycle cost analysis
Alkusanat
Tämä diplomityö tehtiin Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulun
pohjarakennuksen ja maamekaniikan oppituolille. Työn tilaajana ja rahoittajana toimi
Liikennevirasto ja työ suoritettiin WSP Finland Oy:ssä.
Työn valvojana toimi professori Leena Korkiala-Tanttu. Häntä haluan kiittää työn
tarkastamisesta sekä arvokkaista neuvoista ja kommenteista. Työtä ohjasivat diplomiinsinöörit Jaakko Heikkilä Arcus Oy:stä ja Kari-Matti ”Ville” Malmivaara WSP Finland
Oy:stä. Heitä haluan kiittää saamastani ohjauksesta ja asiantuntevasta palautteesta.
Kiitokset kuuluvat myös Liikenneviraston Erkki Mäkelälle työn tilaamisesta sekä
rahoituksen järjestämisestä.
Kiitoksen ansaitsevat myös työkaverini WSP Finland Oy:ssä viihtyisän työilmapiirin
luomisesta sekä mielenkiinnosta työni edistymistä kohtaan.
Erityiskiitokset haluan osoittaa ystävilleni ja läheisilleni kaikesta heiltä saamastani
tuesta ja kannustuksesta opiskelujeni aikana.
Espoossa 6.5.2013
Suvi Soininen
1
Sisällysluettelo
Tiivistelmä
Abstract
Alkusanat
Sisällysluettelo .............................................................................................................. 1
Merkinnät ..................................................................................................................... 3
Lyhenteet ...................................................................................................................... 4
1
Johdanto ................................................................................................................ 5
2
Radan rakenne ....................................................................................................... 7
2.1 Radan rakennekerrokset .................................................................................. 7
2.2 Parannettavan radan rakenteen routivuusluokitus ............................................ 9
3
Routa ilmiönä...................................................................................................... 10
3.1 Yleistä .......................................................................................................... 10
3.2 Perinteisen routimisen mekanismi ................................................................. 10
3.3 Jäälinssin muodostuminen ............................................................................ 10
3.4 In-situ routanousu ......................................................................................... 14
3.5 Maan lämpötekniset ominaisuudet ................................................................ 14
3.5.1 Yleistä ................................................................................................... 14
3.5.2 Lämmönjohtavuus ................................................................................. 14
3.5.3 Lämpökapasiteetti.................................................................................. 17
3.5.4 Olomuodonmuutoslämpö ....................................................................... 18
3.6 Roudan rakennetyypit ................................................................................... 19
3.7 Roudan vaikutus maan geoteknisiin ominaisuuksiin ...................................... 20
3.8 Routimiskriteerit ........................................................................................... 21
3.9 Roudan syvyys.............................................................................................. 23
3.10
Lumen eristävä vaikutus ............................................................................ 25
3.11
Routiiko maa? ........................................................................................... 26
3.11.1 Maanäytteet ........................................................................................... 26
3.11.2 Routanousukoe ...................................................................................... 26
3.11.3 Maatutkaluotaus .................................................................................... 27
3.11.4 Routaseuranta-asemat ............................................................................ 29
4
Routaongelmat radoilla ....................................................................................... 30
4.1 Routaongelmien yhteiskunnalliset vaikutukset .............................................. 30
4.2 Ongelmien laajuus ja vakavuus ..................................................................... 31
4.3 Kunnossapitäjien havaitsemat epätasaisuudet ................................................ 33
4.4 Routaongelmien syiden analysointi ............................................................... 34
4.4.1 Tukikerrosmateriaalin hienoneminen ..................................................... 35
4.5 Ongelmien havaitseminen ja seuranta ........................................................... 37
4.5.1 Seuranta................................................................................................. 37
4.5.2 Radantarkastus....................................................................................... 37
4.5.3 Routapaikkarekisteri .............................................................................. 40
5
Routaongelmien korjaustoimenpiteet ................................................................... 42
5.1 Olemassa olevien ratojen routavaurioiden korjaaminen ................................. 42
5.2 Radan kuivatuksen parantaminen .................................................................. 42
5.2.1 Yleistä radan kuivatuksesta .................................................................... 42
5.2.2 Kuivatuksen parannustoimenpiteet......................................................... 44
5.3 Tukikerroksen seulonta ja vaihtaminen ......................................................... 46
5.4 Routaeristelevyt ............................................................................................ 46
5.5 Massanvaihto ................................................................................................ 48
2
5.6 Routakiilaus .................................................................................................. 48
5.7 Raiteen tuenta ............................................................................................... 49
5.8 Korjaustoimenpiteen valinta ......................................................................... 49
6
Roudan syvyyden mallinnus laskentaohjelmalla .................................................. 51
6.1 Laskentaohjelman teoria ............................................................................... 51
6.1.1 Yleistä ................................................................................................... 51
6.1.2 Numeerinen mallinnus geotekniikassa ................................................... 51
6.1.3 TEMP/W:n lämpötekniset yhtälöt .......................................................... 52
6.2 Roudan syvyyden laskenta TEMP/W:llä ....................................................... 54
6.2.1 Yleistä ................................................................................................... 54
6.2.2 Laskentatapaus 1 - Routalevy asennetaan tukikerroksen alle .................. 55
6.2.3 Laskentatapaus 2 - Routalevy asennetaan eristyskerroksen yläpintaan ... 56
6.3 Mallinnuksessa käytetyt parametrit ja laskennan kulku ................................. 56
6.3.1 Laskentaparametrien määritys ................................................................ 56
6.3.2 Laskennan kulku .................................................................................... 61
7
Laskennan tulokset .............................................................................................. 64
7.1 Routalevyn sijainnin vaikutus roudan tunkeutumiseen .................................. 64
7.2 Roudan syvyys eristämättömässä ja eristetyssä ratarakenteessa ..................... 68
7.2.1 Roudan syvyys eristämättömässä ratarakenteessa................................... 68
7.2.2 Roudan syvyys Kirkkonummella eristetyssä ratarakenteessa .................. 69
7.2.3 Roudan syvyys Oulussa eristetyssä ratarakenteessa ................................ 71
7.3 Routalevyn alle tehtävän massanvaihdon syvyys ........................................... 73
7.4 Laskentatulosten arviointi ............................................................................. 74
8
Routakorjausten kustannukset ja elinkaaritarkastelu ............................................ 76
8.1 Elinkaariajattelu ratamaailmassa ja välilliset kustannukset ............................ 76
8.2 Elinkaaritalouteen perustuva routaongelman korjaussuunnittelu .................... 79
8.3 Tukikerroksen korjaustoimenpiteiden kustannukset ...................................... 80
8.3.1 Sepelin seulonta ja vaihto ...................................................................... 80
8.3.2 Tuenta ................................................................................................... 82
8.4 Routalevytyksen kustannukset ...................................................................... 82
8.5 Massanvaihdon kustannukset ........................................................................ 83
8.6 Kuivatuksen parantamisen kustannukset ....................................................... 84
8.6.1 Ojien perkaus, maaojan teko .................................................................. 84
9
Johtopäätökset ..................................................................................................... 85
9.1 Ratojen routaongelmat .................................................................................. 85
9.2 Roudan syvyyden laskenta TEMP/W:llä ....................................................... 86
Lähdeluettelo .............................................................................................................. 88
Liitteet
3
Merkinnät
C
D
F
F
GradT
L
Q
R
SP
T
Td,j
Tf
T
V
V
Z
c
c
d
h
h
k
k
k
k
k
n
p
p
q
q
t
t
v
w
w
lämpökapasiteetti [J/ m³K]
rakeisuudeltaan karkeamman materiaalin (eristyskerrosmateriaali)
läpäisyprosenttia 15 vastaava raekoko
talven pakkasmäärä [Kh]
kuukauden pakkasmäärä [Kh]
osittain jäätyneen vyöhykkeen lämpötilagradientti [K/mm]
jäätymislämpö [J/kg]
virtaama [m²/s]
terminen eristävyys [Kh]
segregaatiopotentiaali [mm²/Kh]
absoluuttinen lämpötila [K]
vuorokauden keskilämpötila päivälle j
]
jäätymispiste
]
kuukauden keskilämpötila [ ]
jään ominaistilavuus [m³/kg]
veden ominaistilavuus [m³/kg]
roudan syvyys [m]
jäätyneen maan tilavuuslämpökapasiteetti [J/m³°C]
sulan maan tilavuuslämpökapasiteetti [J/m³°C]
rakeisuudeltaan hienomman materiaalin (pohjamaa)
läpäisyprosenttia 85 vastaava raekoko
lumipeitteen paksuus [m]
kapillaarinen nousukorkeus [m]
vedenläpäisevyyskerroin [m/s]
maalajista riippuva kerroin [mm/
]
lämmönjohtavuuskerroin x-suuntaan [W/mK]
lämmönjohtavuuskerroin y-suuntaan [W/mK]
lämmönjohtavuuskerroin z-suuntaan [W/mK]
maan huokoisuus [-]
jään paine [Pa]
veden paine [Pa]
lämpövuo [W/m²]
lämmön kehittyminen [W/m³]
aika [s]
kuukauden pituus [h]
veden virtaus jäälinssin muodostumistasolle [mm/h]
vesipitoisuus painoprosentteina [paino-%]
vesipitoisuus tilavuusprosentteina [til-%]
lämmönjohtavuus [W/mK]
jäätyneen maan lämmönjohtavuus [W/mK]
lumen lämmönjohtavuus [W/mK]
sulan maan lämmönjohtavuus [W/mK]
sulan maan kuivairtotiheys [kg/m³]
jäätyneen maan kuivairtotiheys [kg/m³]
lumen tiheys [g/cms ]
veden tiheys sulassa tilassa [kg/m³]
4
Lyhenteet
EMMA
EPS
FEM
GKPT
GPR
InfraRYL
ISSMFE
JUSE
MBRT
RARELI
RATO
RDM
RHK
XPS
Radantarkastusvaunu
Expanded polystyrene
Elementtimenetelmä (Finite Element Method)
Geometrisen kunnon palvelutaso
Ground Penetrating Radar
Infrarakentamisen yleiset laatuvaatimukset
International Society for Soil Mechanics and Foundation
Engineering
Junien kulun seurantajärjestelmä
Miljoonaa bruttotonnia
Tutkimusohjelma,
Ratojen
routaongelmien
korjaustoimenpiteiden
ja
routasuojauksen
elinkaaritaloudelliset perusteet
Ratatekniset ohjeet
Raidemetri
Ratahallintokeskus
Extruded polystyrene
5
1 Johdanto
Suomen rataverkon routaongelmat ovat olleet julkisuudessa korostuneesti esillä
kuluneina viime vuosina. Rataverkkoa on rakennettu 1850-luvulta lähtien ja liikennöinti
aloitettiin ensimmäistä kertaa vuonna 1862 Helsingin ja Hämeenlinnan välisellä
rataosuudella. Olemassa olevat radat on rakennettu rakentamisen aikaisten ohjeiden
mukaisesti, eivätkä esimerkiksi alusrakennepaksuudet tai -materiaalit välttämättä täytä
nykypäivän routimattoman ratarakenteen vaatimuksia. Lisäksi yhteiskunnan kehittyessä
ratojen nopeustasoja ja junien akselipainoja on nostettu. Ratarakenteet ja rakenteissa
käytetyt materiaalit ovat myös ikääntyneet, joten ne eivät enää käyttäydy suunnitellulla
tavalla. Raiteen tasaisuusvaatimusten kasvaessa jatkuvasti routimisen on oltava
hallinnassa.
Routiminen on monimuotoinen prosessi, johon vaikuttavat muun muassa monet
maalajiominaisuudet sekä ilmastotekijät. Tässä työssä käydään läpi routimisen teoriaa
sekä roudan syntyyn vaikuttavia tekijöitä. Radoilla routanousua aiheuttaa perinteisenä
pidetty routiminen, jossa routivissa maalajeissa muodostuu jäälinssejä ilman lämpötilan
laskiessa alle nollan asteen. Jäälinssit alkavat kasvaa, kun jäätymisvyöhykkeeseen
kulkeutuu lisävettä ympäröivästä maasta. Radoilla merkitystä on myös in-situ
routanousulla, jota tapahtuu routimattomissakin maalajeissa. In-situ routanousussa
maamateriaalin sisältämä huokosvesi jäätyy paikalleen maapartikkeleiden välisiin
tyhjätiloihin ja laajenee. Erityisesti kallioleikkauksissa routaongelmia voi aiheutua, kun
kallioleikkauksen reunoille ja leikkauksen pohjalle kertyvä vesi jäätyy ja syntyy
paannejäätä. Tässä työssä routimisen käsitettä on laajennettu siten, että siihen
sisällytetään perinteisen routimisen lisäksi myös in-situ routanoususta sekä roudan
sulamispehmenemisestä aiheutuvat ongelmat.
Uusia ratoja rakennetaan Suomessa suhteellisen vähän, joten olemassa olevien ratojen
kunnossapidon merkitys on suuri. Radan rakennekerrosten ja pohjamaan routimisen
vuoksi rataverkolle on pahimpaan routa-aikaan talvisin ja keväisin asetettava
nopeusrajoituksia, jotka aiheuttavat junaliikenteelle viivästyksiä ja siten raideliikenteen
imagon alenemista. Myös routakorjaustoimenpiteet aiheuttavat muutoksia
raideliikenteen aikatauluihin. Raideverkon ominaispiirteenä on, ettei junaliikennettä
voida siirtää korvaaville reiteille routakorjaustoimenpiteiden ajaksi, joten korjausten
suorittaminen on hyvin haasteellista. Ratamaailmassa korjaustoimenpiteet on tehtävä
liikenteen sallimissa työraoissa siten, että matkustajille korjauksista aiheutuva
liikenteellinen haitta on mahdollisimman pieni. Eri kulkumuotojen välinen kilpailu on
kovaa, joten on tärkeää, että raideliikenne koetaan läpi vuoden luotettavaksi ja
houkuttelevaksi tavaksi matkustaa.
Routakorjaustoimenpiteiden suunnittelu ja toteuttaminen on haastavaa, sillä korjauksiin
käytettävissä oleva rahamäärä on tiukasti rajattu. Korjauskohteet on valittava siten, että
saavutetaan mahdollisimman suuri liikenteellinen hyöty mahdollisimman
6
kustannustehokkaasti ja elinkaaritaloudellisesti. Tässä työssä tarkastellaan erilaisia
routakorjaustoimenpiteitä, niiden valinnan perusteita sekä toimenpiteiden kustannusten
muodostumiseen vaikuttavia tekijöitä. Työssä esitetyt routakorjaustoimenpiteiden
kustannukset pohjautuvat asiantuntija-arvioon ja kustannusten suuruus perustuu vuoden
2012 markkinatilanteeseen. Routavaurioiden korjaustoimenpiteiden suunnittelua ja
onnistunutta kohdentamista varten on ensiarvoisen tärkeää ymmärtää routimisen
taustalla vaikuttavat mekanismit ja selvittää, aiheutuuko routiminen ongelmista radan
tukikerroksessa, alusrakenteessa vai pohjamaassa. Tässä työssä käydään läpi yleisimpiä
ratojen routaongelmien syitä. Lisäksi esitellään routaongelmien paikantamiseen
Suomessa käytettyjä menetelmiä.
Tämän diplomityön tavoitteena on perehtyä kirjallisuusselvityksen avulla Suomen
rataverkolla esiintyvien routaongelmien laajuuteen, ongelmien syihin ja
yhteiskunnallisiin vaikutuksiin sekä käytettyihin routakorjaustoimenpiteisiin ja niiden
valinnan perusteisiin. Lisäksi työn tavoitteena on tutkia laskennallisesti, miten
ratarakenteeseen asennettavan routalevyn paksuus ja sijainti rakenteessa vaikuttavat
roudan tunkeutumiseen erilaisissa laskentatapauksissa. Saatuja laskentatuloksia
verrataan Ratateknisten ohjeiden (RATO) osan 3 ”Radan rakenne” mukaiseen
routalevymitoitukseen. Työn yhtenä tavoitteena on myös tutkia, miten syvä
massanvaihto routalevyn alle tarvitaan, kun radan alusrakenne on routivaa materiaalia.
RATO 3:ssa on määritetty, että routalevyn alla olevan luonnonmateriaaleista tehdyn
routimattoman alusrakennekerroksen vähimmäispaksuus on 300 mm. Tässä työssä
saatuja laskentatuloksia verrataan routimattoman kerroksen vähimmäispaksuuden
arvoon ja selvitetään, onko paksuuden ohjearvo riittävä tarkasteluun valituissa
laskentatapauksissa.
Tässä työssä roudan syvyyden laskenta tehdään GeoStudio 2007 –ohjelmiston
lämpömallinnusohjelmalla TEMP/W. Mallinnus on rajattu koskemaan kahta
esimerkkiratapengertä,
joista toisen oletetaan sijaitsevan Etelä-Suomessa
Kirkkonummella ja toisen Pohjois-Suomessa Oulussa. Radan rakennekerrosmateriaalien
ja pohjamaan oletetaan olevan molemmissa kohteissa samaa maa-ainesta.
Mallinnusosiossa tarkastellaan kahta erilaista laskentatapausta:
1. Routalevy (40 mm, 60 mm, 80 mm, 100 mm, 120 mm) asennetaan
tukikerroksen alapuolelle
2. Routalevy (40 mm, 80 mm, 120 mm) asennetaan eristyskerroksen pintaan
Mallinnuksessa käytetyt mitoittavat pakkasmäärät on rajattu siten, että
laskentatapauksessa 1 pakkasmäärinä käytetään pakkasmääriä F10, F20 ja F50 ja
laskentatapauksessa 2 mitoittavana pakkasmääränä käytetään pakkasmäärää F50.
7
2 Radan rakenne
2.1 Radan rakennekerrokset
Radan rakennekerrokset koostuvat päällys- ja alusrakenteesta. Radan rakenneosat on
esitetty kuvassa 2.1. Ratapenkereeseen kuuluvat rakennekerrokset sekä mahdollinen
pengertäyte. Päällysrakenne koostuu raiteesta ja tukikerroksesta. Alusrakenteeksi
puolestaan kutsutaan tukikerroksen ja pohjamaan välisiä rakennekerroksia, joita ovat
välikerros, eristyskerros sekä mahdollinen suodatinkerros. Alusrakenteeseen kuuluvat
myös routasuojauksena käytetyt eristelevyt. Alusrakenteen käyttöikävaatimus on
rakennekerrosten osalta 100 vuotta ja routalevyjen osalta 40 vuotta. Tukikerros
mitoitetaan 40 vuoden käyttöikävaatimukselle. (Ratahallintokeskus 2008.)
Kuva 2.1. Radan rakennekerrokset (Ratahallintokeskus 2008).
Tukikerros sijaitsee heti ratakiskojen alapuolella, ratapölkkyjen alla ja ympärillä.
Tukikerroksen tehtävänä on pitää raide geometrisesti oikeassa asemassa ja asennossa
sekä tarjota raiteelle riittävä sivu- ja pituussuuntainen tuki. Lisäksi tukikerros jakaa
toistuvasta liikennekuormituksesta aiheutuvat kuormat alusrakenteelle, vaimentaa
liikennöinnistä syntyvää melua, runkomelua ja tärinää sekä muodostaa raiteelle
suunnitelman
mukaisen
tasaisen,
kantavan
ja
muokattavan
alustan.
Tukikerrosmateriaalina käytetään Suomessa pääsääntöisesti raidesepeliä. Vanhoilla
vähäliikenteisillä radoilla tukikerrosmateriaalina on käytetty myös raidesoraa.
Tukikerroksen paksuus on tavallisimmin 450–550 millimetriä. (Ratahallintokeskus
2008, Nurmikolu 2011b.)
Tukikerroksen alla oleva välikerros muodostaa tukikerrokselle tasaisen, kantavan ja
vettäläpäisevän alustan. Kerroksen tehtävänä on myös estää tukikerrosmateriaalin
sekoittumista alla oleviin rakennekerroksiin ja ehkäistä routimisesta aiheutuvia haittoja.
Välikerrosmateriaaleina käytetään routimatonta soraa, hiekkaa tai mursketta. Jos
välikerroksen alla oleva eristyskerros rakennetaan murskeesta, molemmat kerrokset
tehdään samanaikaisesti ja samasta materiaalista. (Ratahallintokeskus 2008, Kolisoja
2011.)
8
Eristyskerros estää tai vähentää sen alapuolella olevien kerrosten routimista sekä
muodostaa välikerrokselle tasaisen ja kantavan alustan. Lisäksi eristyskerros siirtää ja
jakaa kuormia maa- tai kalliopohjalle sekä pysäyttää kapillaarisen vedennousun.
Eristyskerrosmateriaaleina käytetään routimatonta hiekkaa, soraa tai kalliomursketta.
Jos eristyskerros rakennetaan murskeesta, kerros on yhdistettävä välikerrokseen ja
rakennettava samasta materiaalista. (Ratahallintokeskus 2008, Kolisoja 2011.)
Suodatinkerrosta käytetään tarvittaessa leikkauspohjalla estämään rakennekerrosten ja
pohjamaan sekoittuminen. Lisäksi suodatinkerros estää tai pienentää yhdessä muiden
rakennekerrosten kanssa alla olevien maakerrosten routimisesta aiheutuvia haitallisia
muodonmuutoksia radassa. Suodatinkerros rakennetaan hiekasta, murskeesta tai
suodatinkankaasta. Suodatinkerroksen tarve määräytyy raekokosuhteeseen perustuvalla
suodatinkriteerillä (kaava 2-1), joka arvioi päällekkäisten materiaalien raekokosuhdetta.
Suodatinkerros tarvitaan ratarakenteeseen, jos kriteerin ehto ei täyty.
(Ratahallintokeskus 2008, Kalliainen et al. 2011, Kolisoja 2011.)
<5
jossa
(2-1)
D on rakeisuudeltaan karkeamman materiaalin (eristyskerrosmateriaali)
läpäisyprosenttia 15 vastaava raekoko
d
on
rakeisuudeltaan
hienomman
materiaalin
(pohjamaa)
läpäisyprosenttia 85 vastaava raekoko
Olemassa olevaan ratarakenteeseen voidaan rakentaa routaeristys suulakepuristetuista
routalevyistä. Olemassa olevien ratojen routakorjauksissa routalevyt lisätään
asennustavasta riippuen eristyskerroksen pintaan tai väli- ja tukikerroksen väliin. Uusi
rata perustetaan ensisijaisesti roudattomaan syvyyteen ja routalevyjen käyttö edellyttää
tällöin aina Liikenneviraston lupaa. (Ratahallintokeskus 2008.)
Pengertäyte rakennetaan pohjamaan ja eristyskerroksen väliin. Täytteen tehtävänä on
tasoittaa maanpinnan korkeusvaihteluita siten, että radan ylemmät rakennekerrokset
voidaan rakentaa pengertäytteen päälle. Rakennekerroksille tulee tarjota tasalaatuinen ja
ominaisuuksiltaan luonnonmaapohjaa vastaava alusta. Penger voidaan rakentaa
maapenkereenä hiekasta tai hiekkaa karkeammista kivennäismaa-aineksista, näitä
vastaavista moreenimaalajeista tai pienlouheesta. Louhepenger tehdään alle 300
millimetrin pienlouheesta yläpuolisen rakennekerrosmateriaalin lajittumisen
ehkäisemiseksi ja penkereen tiiviyden varmistamiseksi. Ratapenkereissä voidaan
käyttää kevytsoraa routaeristeenä ja kevennyksenä. Kevytsoraa ei kuitenkaan saa
käyttää kohteissa, joissa se voi jäädä jatkuvasti pohjaveden pinnan alapuolelle, sillä
kevytsora on vettä kevyempää ja siten kelluu vedessä. (InfraRYL 2010, Kolisoja 2011.)
9
2.2 Parannettavan radan rakenteen routivuusluokitus
Ratateknisten ohjeiden osassa 3 ”Radan rakenne” esitetään parannettavan radan
rakenteen jako routimattomaksi, harvoin routivaksi tai routivaksi taulukon 2.1
mukaisesti. Kun pohjamaa on routiva, parannettavan radan routivuus määritetään
selvittämällä, kuinka paljon radan routimattomien rakennekerrosten paksuus eroaa
liitteen 1 kuvan mukaisista routimattoman radan rakennepaksuuksista. Radat jaetaan
henkilöliikenteen tai tavaraliikenteen suurimman sallitun nopeuden mukaan viiteen eri
alusrakenneluokkaan. Alusrakenneluokan 1 radoilla routimattomien rakennekerrosten
kokonaispaksuus saa olla 0,2 m ja alusrakenneluokan 0 radoilla 0,6 m liitteen 1 kuvassa
esitettyjä arvoja pienempi.
Taulukko 2.1. Olemassa olevan radan rakenteen luokittelu routivuuden mukaan
pohjamaan ollessa routiva (Ratahallintokeskus 2008).
Rakenteen
Liitteen
1
kuvan
mukaisen
routimattoman
radan
routivuus
rakennepaksuuden ja parannettavan radan rakennepaksuuden
erotus [m]
> 0,2
0,2
Rakennepaksuus liitteen 1 kuvan mukainen
Routiva
Harvoin routiva
Routimaton
Taulukossa 2.2 on esitetty radan alusrakenneluokkaan perustuva routaeristetyn radan
routamitoituksessa käytettävän mitoituspakkasmäärän toistumisjakson valinta. Kun
rakenne on routimaton, routanoususta ei oleteta aiheutuvan vaurioita taulukon 2.2
mukaisia toistumisjaksoja vastaavilla mitoituspakkasmäärillä. Jos rakenne on harvoin
routiva, voidaan olettaa, että routimisesta aiheutuu todennäköisesti haittoja joinakin
vuosina taulukon 2.2 mukaisia toistumisjaksoja vastaavilla mitoituspakkasmäärillä.
Routivilla rakenteilla routanoususta aiheutuu haittoja toistuvasti. (Ratahallintokeskus
2008.)
Taulukko 2.2. Olemassa olevan radan rakenteen luokittelu routivuuden mukaan
pohjamaan ollessa routiva (Ratahallintokeskus 2008).
Mitoituspakkasmäärän toistumisjakso [vuotta]
Ratalinja
Vaihdealue
0
5
20
1
20
50
2
50
50
3
50
50
4
50
50
Radan alusrakenneluokka
10
3 Routa ilmiönä
3.1 Yleistä
Kun maalaji on routiva, lämpötila laskee alle nollan asteen ja maaperässä on riittävästi
vettä, maahan alkaa muodostua jäälinssejä. Tässä työssä jäälinssien muodostumisesta
aiheutuvaa routimista kutsutaan perinteiseksi routimiseksi. Routimattomissakin
maalajeissa voi esiintyä routanousua, kun maa on täysin tai osittain vedellä kyllästetty ja
huokosvesi jäätyy maapartikkeleiden ympärille. Rataympäristössä myös routimattoman
maamateriaalin sisältämän huokosveden jäätymisestä aiheutuvalla routanousulla on
merkitystä.
3.2 Perinteisen routimisen mekanismi
Maassa alkaa tapahtua routaantumista maan huokosveden jäätyessä. Huokosvesi on
maa-aineksen raepinnoille sitoutunutta vaippavettä, kapillaarivoimien alaista
kapillaarivettä tai vapaata huokosvettä. Normaalipaineessa puhdas vesi jäätyy 0 °C:n
lämpötilassa, mutta käytännössä vesi jäätyy aina hieman alemmassa lämpötilassa.
Esimerkiksi maapartikkeleiden pinnoille sitoutuneen adsorptioveden jäätymislämpötila
on selvästi alle 0 °C. Jäätymispiste on sitä alhaisempi, mitä epäpuhtaampaa huokosvesi
on ja mitä hienorakeisemmasta maalajista on kyse. Kun sulasta maasta
jäätymisvyöhykkeeseen kulkeva vesi jäätyy, maan tilavuus ja vesipitoisuus kasvavat,
minkä seurauksena routavyöhykkeen yläpuolinen maanpinta alkaa nousta. Jäätyneen
maakerroksen paksuutta kutsutaan roudan syvyydeksi ja kerroksen alarajaa routarajaksi.
Vastaavasti roudan sulaessa tapahtuu sulamispehmenemistä ja maanpinta laskeutuu.
(Saarelainen 1990.)
Maan routaantumisesta tai sulamisesta seuraavia haitallisia ilmiöitä, kuten maan pinnan
liikkumista tai maan fysikaalisten ominaisuuksien muuttumista kutsutaan routimiseksi.
Routaantuminen ei aiheuta maarakenteille ongelmia, ellei pohjamaa roudi. Routiminen
aiheuttaa routanousun esteenä oleviin rakenteisiin kohdistuvan voimavaikutuksen tai
jännityksen, jota kutsutaan routavoimaksi tai –paineeksi. (Saarelainen 1990.)
Maan routivuuden ja routanousun neljä perusedellytystä ovat:
-
maalaji on routiva
routivan maan lämpötila laskee alle 0 °C
vettä on riittävästi saatavilla jäälinssin muodostumispaikalle
routapaine ylittää yläpuolisten maakerrosten ja rakenteiden aiheuttaman
kuormituksen
3.3 Jäälinssin muodostuminen
Routimisilmiössä tapahtuvasta veden imusta jäätymisvyöhykkeeseen on kirjallisuudessa
esitetty useita erilaisia teorioita. Nykyisin yleisesti vallalla oleva käsitys veden
virtauksesta jäätyneessä maassa perustuu osittain jäätyneen kerroksen (frozen fringe)
11
olemassaoloon likimäärin 0 °C isotermiä vastaavan routarajan ja hieman sen
kylmemmällä puolella olevan jäälinssin muodostumistason välillä. Periaatteellisessa
kuvassa 3.1 on esitetty jäätyvän kerroksen olemassaolo jäätyneen ja jäätymättömän
maan välissä. Jäätyvän kerroksen maapartikkeleita ympäröi jäätymätön vesi ja
kerroksen paksuus voi vaihdella alle millimetristä muutamiin senttimetreihin.
Routimiskerroksessa vesi virtaa lämpötilagradienttia vastaavan vedenpainegradientin
kuljettama kohti jäälinssiä. Vedenpainegradientin suuruus määräytyy maalajien
ominaisuuksien perusteella ja paine on suurempi hienorakeisissa maalajeissa. Veden
kulku pysähtyy jääkerrokseen ja kerroksen takana veden virtaus on lähes olematonta.
(Saarelainen 1990, Nurmikolu 2004.)
Kuva 3.1. Segregaatiopotentiaaliteorian mukainen osittain jäätynyt vyöhyke (muokattu
lähteestä Woo 2012).
Segregaatiopotentiaaliteorian mukaan jäälinssi alkaa muodostua jäätymisvyöhykkeen
yläpuolella, kun vyöhykkeen yläreuna saavuttaa segregaatiolämpötilan. Jäälinssi ei enää
kasva, kun jäätymisvyöhykkeen yläpuolinen paine kasvaa suuremmaksi kuin vettä
kuljettava vedenpainegradientti, eikä vettä enää kulkeudu jäälinssiin. Teorian
perusoletuksena on, että veden virtausnopeus (v) routarajalle jäälinssin kasvuprosessin
aikana ja jäätymisvyöhykkeen lämpötilagradientti (GradT) ovat suoraan verrannollisia
kaavan
(3-1)
mukaisesti.
Verrannollisuuskerrointa
SP
kutsutaan
segregaatiopotentiaaliksi ja se kuvaa maalajin voimakkuutta routia. (Ehrola 1996,
Nurmikolu 2006.)
SP =
jossa
(3-1)
SP on segregaatiopotentiaali [mm²/Kh]
v on veden virtaus jäälinssin muodostumistasolle [mm/h]
12
GradT on osittain jäätyneen vyöhykkeen lämpötilagradientti [K/mm]
Segregaatiopotentiaalin käsitteeseen viittaa routimiskerroin (SP), joka lasketaan
routanousunopeuden ja jäätyneen näyteosan lämpötilagradientin suhteena.
Routimiskerroin lasketaan samalla yhtälöllä kuin segregaatiopotentiaali, mutta kaavan
muuttujien määritelmät ovat erilaiset. Routimiskerrointa määritettäessä SP on
routimiskerroin, v on routanousunopeus ja GradT jäätyneen näyteosan keskimääräinen
lämpötilagradientti. Routimiskerroin huomioi segregaatiopotentiaalista poiketen veden
jäätymisessä tapahtuvan 9 %:n tilavuudenkasvun. (Nurmikolu 2006.)
Huokosveden imua jäätymistasossa voidaan arvioida Clausius-Claypeyronin yhtälöllä
(kaava 3-2). Yhtälö perustuu olomuotojen väliseen termodynaamiseen tasapainotilaan,
joka vallitsee silloin, kun jään vapaa energia on yhtä suuri kuin veden vapaa energia.
Yhtälön paikkansa pitävyys on todistettu kokeellisesti muun muassa
kapillaariputkikokeella, vedenpainemittauksin alle 0 °C:n lämpötiloissa sekä
routapainemittauksin laboratoriossa. Vapaan energian tasapainotarkastelun mukaan
osittain jäätyneeseen kerrokseen muodostuu alipaine, jonka vaikutuksesta jäälinssin
muodostumisvyöhykkeeseen imeytyy lisävettä alapuolisista sulista maakerroksista.
Lämpötilan laskiessa alipaineen suuruus kasvaa vyöhykkeen yläreunaa kohti.
(Saarelainen 1990, Nurmikolu 2004.)
V
dp
jossa
V dp =
dT
V on veden ominaistilavuus [m³/kg]
p on veden paine [Pa]
V on jään ominaistilavuus [m³/kg]
p on jään paine [Pa]
L on jäätymislämpö [J/kg]
T on absoluuttinen lämpötila [K]
(3-2)
Saksasta lähtöisin oleva ns. freibergiläinen kriteeri (kuva 3.2 ja kaava 3-3) ei ole ollut
Suomessa käytössä, mutta kriteeri kuvaa hyvin maalajin vedenläpäisevyyden ja
kapillaarisen nousukorkeuden vaikutusta maalajin routivuuteen. Kaavassa (3-3)
vedenläpäisevyyskertoimella k kerrotaan koko lauseke, joten maa-aineksen
kapillaarivirtaama riippuu suoraviivaisesti vedenläpäisevyydestä. Vedenläpäisevyys taas
on kytköksissä raekoon neliöön, joten raekoon pienentyessä esimerkiksi
kymmenesosaan, vedenläpäisevyys pienenee sadasosaan alkuperäisestä. Kapillaarinen
nousukorkeus on kääntäen verrannollinen raekokoon, joten vastaavasti h kasvaa
kymmenkertaiseksi. Kaavasta (3-3) voidaan kuitenkin päätellä, että virtaama pienenee.
Havainto selittää sen, että vaikka savella on maalajeista suurin kapillaarinen
nousukorkeus, siinä ei kuitenkaan esiinny voimakkaimpia routanousuja. Savessa veden
virtaus jäätymisvyöhykkeeseen on hidasta, joten muodostuvat jäälinssit jäävät usein
13
ohuiksi. Kuvasta 3.3 nähdään, että karkearakeisten maalajien, kuten hiekan
vedenläpäisevyys on suuri, mutta imuvoima jäätymisvyöhykkeessä puolestaan on hyvin
pieni. Kaavan (3-3) mukaisesti karkearakeisissa maalajeissa pohjavedenpinnasta
ylöspäin jäätymisvyöhykkeeseen nouseva virtaama on pieni ja kuvasta 3.3 nähdään, että
myös virtausnopeus on alhainen. Karkearakeisissa maalajeissa routanousut jäävätkin
hienorakeisia maalajeja pienemmiksi. Kuvassa 3-3 saven ja hiekan väliin jää siltti, jossa
vedenläpäisevyys on savea parempi ja imuvoima jäätymisvyöhykkeessä puolestaan
suurempi kuin hiekassa. Siltissä veden virtausnopeus jäätymisvyöhykkeeseen onkin
maalajeista suurin ja siten silttimaalajit ovat usein voimakkaasti routivia. (Jääskeläinen
2009.)
Kuva 3.2. Freibergiläinen kriteeri (Jääskeläinen 2009).
Q=k
jossa
(
(
)
)
(3-3)
Q on virtaama [m²/s]
k on vedenläpäisevyyskerroin [m/s]
h on kapillaarinen nousukorkeus [m]
R on roudan syvyys [m]
Z on pohjavedenpinnan etäisyys maanpinnasta [m]
Kuva
3.3.
Maalajiominaisuuksien
jäätymisvyöhykkeessä (Ehrola 1996).
vaikutus
veden
virtausnopeuteen
14
3.4 In-situ routanousu
Mikäli maa on vedellä kyllästetty tai lähes kyllästetty, myös routimattomissa
maalajeissa saattaa esiintyä routanousua, sillä vesi laajenee jäätyessään noin 9 %.
Maassa olevan huokosveden jäätymisestä aiheutuvaa routimista kutsutaan in-situ
routanousuksi ja sen syntymisen edellytyksenä on, ettei vesi jäätymislaajenemisen
seurauksena enää mahdu alkuperäiseen huokostilaan, eikä pääse poistumaan suljetussa
tilassa sivuille tai alaspäin. In-situ routanousun merkitys perinteisen routimisen
aiheuttamaan routanousuun verrattuna on vähäinen, mutta ratarakenteissa vaikutus on
otettava huomioon. Lähtökohtaisesti oletetaan, että ratarakenteen kerrosmateriaalit eivät
ole kyllästetyssä tilassa ja että kuivatus toimii asianmukaisesti. Kuitenkin käytännössä
on huomattu, että rataverkolla on kuivatusongelmia monin paikoin. Ratarakenne on
myös pinnaltaan avoin ja rakenteiden alapinta voi olla tiivis tai jäässä, joten sulamis- ja
sadevedet pääsevät ja jäävät helposti rakenteeseen täydentämään huokosten
kyllästysastetta. Lisäksi raiteelle asetettujen suurten tasaisuusvaatimusten vuoksi
pienelläkin routanousulla on merkitystä. (Nurmikolu 2006.)
3.5 Maan lämpötekniset ominaisuudet
3.5.1 Yleistä
Maan routaantumiseen vaikuttavia lämpöteknisiä ominaisuuksia ovat sulan ja jäätyneen
maan lämmönjohtavuus, sulan ja jäätyneen maan tilavuuslämpökapasiteetti sekä
olomuodonmuutoslämpö. (Saarelainen 1990.)
3.5.2 Lämmönjohtavuus
Maan lämmönjohtavuus kuvaa maa-aineksen kykyä johtaa lämpöä. Maan
lämmönjohtavuuteen vaikuttavat useat eri tekijät, kuten maa-aineksen tiheys, lämpötila,
huokoisuus ja vesipitoisuus. Lämpö voi siirtyä osittain veden ja jään kyllästämässä
maassa johtumalla, säteilemällä tai konvektiivisesti eli kuljettumalla väliaineen mukana.
Lämmönsiirtoa tapahtuu aina, kun maassa on paikallisia lämpötilaeroja.
Maamateriaaleissa lämmön pääasiallinen kuljetusmekanismi on johtuminen, mutta
hyvin karkearakeisissa maalajeissa, kuten sorassa lämmön siirtyminen konvektion
avulla voi olla merkittävää. Sulan ja jäätyneen maamateriaalin lämmönjohtavuuden
määrittämiseksi on kehitetty useita erilaisia empiirisiä yhtälöitä ja mitoituskäyrästöjä.
Ehkä tunnetuimmat kokemusperäiset yhtälöt ovat Kerstenin (1949) yhtälö ja siihen
perustuva Johansenin (1975) yhtälö. Maa-aineksen lämmönjohtavuus voidaan määrittää
myös laboratorio- tai kenttämittauksin esimerkiksi lämpösauvamenetelmällä.
(Saarelainen 1990, Andersland ja Ladanyi 2004.)
Lämpösauvamenetelmä perustuu lyhytaikaisen lämmönjohtumisen mittaukseen.
Menetelmässä asennetaan lämpötilan mittausanturilla varustettu lämmönjohtosondi
näytteeseen tai maahan tehtyyn reikään. Lämmönjohtosondi on mittauksen aikana
lineaarinen lämpölähde tutkittavassa näytteessä. Mittaus aloitetaan kytkemällä sondin
lämmitysvastuksen
kaapelit
virtalähteeseen
ja
lämpötila-anturin
johtimet
15
lämpötilamittariin. Lämpötila-anturilla seurataan lämmityksen seurauksena näytteessä
syntyvää lämpötilan nousua ajan suhteen. Lämpötila nousee maan johtavuuden ja
lämpökapasiteetin mukaisissa suhteissa. Maan lämmönjohtavuus saadaan määritettyä
vastuskaapeliin johdetun vakiotehon sekä mittauksessa saadun lämpenemiskäyrän
avulla. (Saare ja Wenner 1957, Kivikoski et al. 2001.)
Laskennallisesti sulan ja jäätyneen hienorakeisen ja karkearakeisen maamateriaalin
lämmönjohtavuudet saadaan esimerkiksi käyttämällä Kerstenin kokemusperäisiä
kaavoja tai mitoituskäyrästöjä. Lähtöarvoina on tunnettava maa-aineksen
kuivairtotiheys sekä vesipitoisuus. Yhtälöt eivät kuitenkaan huomioi jäätyneen
maamateriaalin jäätymättömän veden määrää, eivätkä materiaalin kvartsipitoisuutta.
Kvartsin lämmönjohtavuus on 3-4 kertaa suurempi kuin muiden tavallisten
maamineraalien, joten kvartsipitoisuudella on huomattava merkitys maan
kokonaislämmönjohtavuuteen. Kerstenin suorittamat laboratoriomittaukset osoittivat,
että yhtälöillä saadut arvot voivat poiketa todellisista maa-aineksen lämmönjohtavuuden
arvoista enintään ± 25 %. Hienorakeisten maalajien sulan ja jäätyneen maan
lämmönjohtavuudet saadaan Kerstenin kaavoilla (3-4) ja (3-5). (Andersland ja Ladanyi
2004, Doré ja Zubeck 2009.)
= (0,13 log w
= 0,00144 10
,
0,029) 10
,
+ 0,01226
(3-4)
10
,
(3-5)
Karkearakeisten maalajien sulan ja jäätyneen maan lämmönjohtavuudet voidaan laskea
Kerstenin kaavoilla (3-6) ja (3-7).
= (0,10 log w + 0,058) 10
= 0,01096 10
joissa
,
,
+ 0,00461
(3-6)
10
,
(3-7)
on sulan maan lämmönjohtavuus [W/mK]
on jäätyneen maan lämmönjohtavuus [W/mK]
w on maan vesipitoisuus [paino-%]
on maan kuivairtotiheys [g/cm³]
Kerstenin yhtälöihin perustuva Johansenin malli maamateriaalin lämmönjohtavuuden
määrittämiseksi on esitetty alla (kaava 3-8). Yhtälöä voidaan käyttää sekä hieno- että
karkearakeisten maalajien sulan ja jäätyneen tilan lämmönjohtavuuden määrittämiseen.
(Andersland ja Ladanyi 2004.)
=(
K
(3-8)
16
jossa
on maan lämmönjohtavuus [W/mK]
on veden kyllästämän maan lämmönjohtavuus [W/mK]
on kuivan maan lämmönjohtavuus [W/mK]
K on ns. Kerstenin luku [-]
Kerstenin luku K määritetään karkearakeisille maalajeille kaavalla (3-9) ja
hienorakeisille maalajeille kaavalla (3-10).
K = 0,7 log S + 1,0
(3-9)
K = log S + 1,0
(3-10)
S =
(3-11)
Kaavoissa (3-9) ja (3-10) esiintyvä S on normalisoitu vesipitoisuus:
jossa
w on maan vesipitoisuus [paino-%]
w on vesipitoisuus veden kyllästämässä maassa [paino-%]
Johansenin malli määrittää kyllästetyn sulan maan lämmönjohtavuuden geometriseen
keskiarvoon perustuen kaavalla (3-12).
(3-12)
jossa
on kyllästetyn maan lämmönjohtavuus [W/mK]
on maapartikkeleiden lämmönjohtavuus [W/mK]
on veden lämmönjohtavuus [W/mK]
n on maan huokoisuus [-]
Kyllästetyn jäätyneen maan lämmönjohtavuus voidaan laskea kaavalla (3-13).
(3-13)
jossa
on kyllästetyn maan lämmönjohtavuus [W/mK]
on maapartikkeleiden lämmönjohtavuus [W/mK]
on jään lämmönjohtavuus [W/mK]
on veden lämmönjohtavuus [W/mK]
n on maan huokoisuus [-]
w on jäätymättömän veden määrä [paino-%]
Maapartikkeleiden
lämmönjohtavuuden
lämmönjohtavuutta
voidaan
arvioida
kvartsin
sekä muiden maapartikkeleiden lämmönjohtavuuden
17
geometrisena keskiarvona (kaava 3-14). Kaavassa k on kvartsin osuus maan
kiintoaineksesta. Kvartsin lämmönjohtavuutena käytetään arvoa 7,7 W/mK.
Maapartikkeleiden lämmönjohtavuutena käytetään arvoa 2,0 W/mK, kun kvartsin osuus
on yli 20 %. Kun kvartsipitoisuus on alle 20 %, maapartikkeleiden lämmönjohtavuutena
käytetään arvoa 3,0 W/mK. (Andersland ja Ladanyi 2004.)
(3-14)
Johansenin malli ilmaisee kuivan maan lämmönjohtavuuden osin empiirisen kaavan (315) mukaisesti.
=
± 20%
jossa
(3-15)
on kuivan maan lämmönjohtavuus [W/mK]
on maan kuivairtotiheys [g/cm³]
3.5.3 Lämpökapasiteetti
Maan lämpökapasiteetti tarkoittaa lämpömäärä, joka tarvitaan nostamaan maa-aineksen
massa- tai tilavuusyksikön lämpötilaa yhden asteen verran tai vastaavasti lämpömäärää,
joka vapautuu vastaavan ainemäärän lämpötilan laskiessa yhdellä asteella.
Ominaislämpökapasiteetilla tarkoitetaan ainesosan lämpökapasiteettia massayksikköä
kohti laskettuna. Tilavuuslämpökapasiteetilla tarkoitetaan lämpömäärää, joka tarvitaan
muuttamaan maa-aineksen lämpötilaa yksikön verran tilavuusyksikköä kohti. Maan
lämpökapasiteetti on maan ainesosien summa (kaava 3-16). (Saarelainen 1990.)
C=
jossa
c +n
c +n
c +n
c
(3-16)
C on maan tilavuuslämpökapasiteetti [Wh/m³K]
on maan kuivairtotiheys [kg/m³]
c on mineraaliaineiden ominaislämpökapasiteetti [Wh/kgK]
n
on maan vesipitoisuus paino-osina [kg/m³]
c on veden ominaislämpökapasiteetti [Wh/kgK]
n
on maan jääpitoisuus paino-osina [kg/m³]
c on jään ominaislämpökapasiteetti [Wh/kgK]
n
on maan ilmapitoisuus paino-osina [kg/m³]
c on ilman ominaislämpökapasiteetti [Wh/kgK]
Sulan ja jäätyneen maan tilavuuslämpökapasiteetit saadaan kaavoilla (3-17) ja (3-18).
C =
0,18 + 1,0
C
(3-17)
18
C=
0,18 + 0,5
C
(3-18)
C on sulan maan tilavuuslämpökapasiteetti [Wh/m³K]
C on jäätyneen maan tilavuuslämpökapasiteetti [Wh/m³K]
on maan kuivairtotiheys [kg/m³]
on veden tiheys, 1000 kg/m³
w on maan vesipitoisuus [paino-%]
C on veden tilavuuslämpökapasiteetti, 1163 Wh/m³K
joissa
3.5.4 Olomuodonmuutoslämpö
Maan olomuodonmuutoslämpö tarkoittaa maan jäätymisessä vapautuvaa tai sulamisessa
kuluvaa lämpömäärää painoyksikköä kohti. Maan olomuodonmuutokseen kuluva
energia voidaan laskea kaavalla (3-19). (Jumikis 1977.)
L=
jossa
I
(3-19)
L on maan jäätymislämpö [kJ/m³]
on maan kuivairtotiheys [g/cm³]
w on maan vesipitoisuus [paino-%]
I on veden jäätymislämpö, 0,0334 MJ/kg
Yllä esitetyssä kaavassa oletetaan, että kaikki maaperän sisältämä vesi jäätyy 0 °C:ssa,
vaikka todellisuudessa maassa on jäätymätöntä vettä myös pakkaslämpötiloissa
(Saarelainen 1990). Kuvasta 3.4 nähdään, miten jäätymätön vesi jäätyy asteittain eri
maalajeissa lämpötilan laskiessa. Jäätymättömän veden osuus alle nollan asteen
lämpötilassa on pienempi karkea- kuin hienorakeisissa maalajeissa.
Kuva 3.4. Jäätymättömän veden pitoisuuskäyriä eri maalajeille (Nordal ja Refsdal
1989).
19
3.6 Roudan rakennetyypit
Routa muodostuu eri maalajeissa eri tavoin. Karkearakeiset maalajit routaantuvat
hienorakeisia maalajeja syvemmälle ja eloperäisissä maalajeissa routaantumista
tapahtuu yleensä vähiten. Erilaiset routimisominaisuudet johtuvat maan rakenteen
lisäksi muun muassa maan lämpökapasiteetista, lämmönjohtavuudesta sekä
maavesisuhteista. Erilaisissa maaperäolosuhteissa muodostuu myös rakenteeltaan
erilaista routaa. Routa voidaankin jakaa kolmeen rakennetyyppiin, joita ovat
onkalorouta, massiivinen routa sekä kerrosrouta. Onkalorouta on rakenteeltaan
neulasmaista ja sitä muodostuu tyypillisesti mururakenteisen maan pintakerroksen
onkalojen ja kolojen sisäpinnoille. Geotekniikassa ja siten radan rakenteissa roudan
esiintymismuodoista merkitystä on kerrosroudalla ja massiivisella roudalla. (Valkama
2006.)
Kerrosroutaa esiintyy enimmäkseen hienorakeisissa maalajeissa ja se muodostuu
huokosveden jäätyessä ensin maanpinnan alapuolisissa suuremmissa maaonteloissa.
Syntyvä jääkerros ei välttämättä ole rakenteeltaan yhtenäinen, mutta eri paksuiset
jäälinssit muodostuvat maahan likimain samalle syvyydelle. Pakkassään jatkuessa vesi
nousee kapillaarisesti paksunevaan jääkerrokseen, joka muodostaa lopulta yhtenäisen
jäälevyn. Lämpötilan edelleen laskiessa vesi jäätyy yhä pienemmissä onteloriveissä,
jolloin muodostuu uusia jääkerroksia syntyneiden kerrosten alle ja väliin. Syntyvät
jääkerrokset voivat olla toistensa yhteydessä tai erillään ja ne vuorottelevat sulan maan
tai massiivisesti routaantuneiden maakerrosten kanssa. Kerrosroudan syntyyn ja
rakenteeseen vaikuttavia tekijöitä ovat maaperän rakeisuus ja vedenläpäisevyys,
lämpötilan vaihtelut, pohjaveden sijainti, maaperän luonnollinen vesipitoisuus sekä
routaantumisnopeus. Kerrosroudan rakenne on esitetty kuvassa 3.5. (Soveri ja Varjo
1977.) Kerrosrouta aiheuttaa routimista ja sen vaikutus rataverkon routaongelmiin on
merkittävä.
Kuva 3.5. Kerrosroudan rakenne.
Massiivisella roudalla tarkoitetaan koko talvikauden aikana syntyvää rakenteeltaan
yhtenäistä routakerrosta, jonka kokonaistilavuus säilyy muuttumattomana eli routimista
ei tapahdu. Massiivista routaa muodostuu routimattomiksi kutsutuissa karkearakeisissa
maalajeissa, joiden vesipitoisuus on vähäinen ja vertikaalisesti tasaisesti jakautunut.
Massiivinen routa muodostaa harvoin paksuja kerroksia ja se kuuluu useimmiten osana
20
kerrosroutaan. (Soveri ja Varjo 1977.) Ratamaailmassa massiivisellakin roudalla on
merkitystä, sillä raiteelle on asetettu suuret tasaisuusvaatimukset.
3.7 Roudan vaikutus maan geoteknisiin ominaisuuksiin
Maan geotekniset ominaisuudet muuttuvat routaantumisen yhteydessä ja ratarakenteessa
vallitsevat olosuhteet vaihtelevat selkeästi eri vuodenaikoina. Routaantuminen voidaan
jakaa neljään eri vaiheeseen. Vaiheita havainnollistetaan kuvassa 3.6. Ensimmäisessä
vaiheessa A ratarakenteessa oleva vesi alkaa virrata syksyn aikana kohti
jäätymisrintamaa ja jäätyvän maan vesipitoisuus kasvaa. Ilman kylmetessä
ratarakenteeseen muodostuu jäälinssejä ja maa alkaa nousta roudan vaikutuksesta (vaihe
B). Tällöin myös ratarakenteen kantavuus on suuri. Keväällä, kun talven pakkassumma
ei enää kasva ja ilma lämpenee, routa alkaa sulaa pääosin routakerroksen yläosasta
alaspäin. Lisäksi sulamista tapahtuu jäätyneen kerroksen alapinnalla maalämmön
vaikutuksesta. Keväällä myös rataympäristön lumet alkavat sulaa ja osa sulamisvesistä
virtaa ratarakenteeseen lisäten entisestään rakenteen vesipitoisuutta. Vapautuva
huokosvesi ja sulamisvedet eivät kuitenkaan pääse virtaamaan alaspäin, sillä alemmat
rakennekerrokset ovat vielä jäässä. Sulamisvyöhykkeelle syntyy huokosveden ylipaine,
minkä seurauksena sulien, vedellä kyllästyneiden rakennekerrosmateriaalien tehokas
raepaine laskee, routineet rakennekerrokset sekä pohjamaa pehmenevät ja ratarakenteen
kantavuus alenee. Ilmiötä kutsutaan sulamispehmenemiseksi ja sen seurauksena
ratarakenteeseen ja pohjamaahan syntyy pysyviä muodonmuutoksia. Kuvassa 3.6
sulamispehmenemistä kuvaa vaihe C. Ratapenkereessä sulamispehmenemistä tapahtuu
erityisesti alusrakenteessa ja pehmenevä maakerros sisältää yleensä hienorakeista
maalajia. Sulaneeseen alusrakennekerrokseen voi kulkeutua lisää hienorakeista maaainesta myös yläpuolisesta tukikerroksesta. Vaiheessa C ratarakenteeseen syntyy
pysyviä muodonmuutoksia, jos maa kokoonpuristuu joko oman painonsa tai junan
aiheuttaman lisäkuormituksen vaikutuksesta ja kuormitus ylittää maan lujuuden. Kuvan
3.6 viimeisessä vaiheessa D jäälinssit sulavat ja routanousu alkaa palautua. (Saarinen
1990, Doré ja Zubeck 2009.)
Kuva 3.6. Routaantumisen vaiheet (muokattu lähteestä Doré ja Zubeck 2009).
21
3.8 Routimiskriteerit
Routa tunkeutuu eri maalajeihin eri tavoin. Maalajin routivuus aiheutuu
maalajiominaisuuksien, kuten raekokojakauman, kapillaarisuuden, vedenpidätyskyvyn
sekä veden ja lämmön virtausten yhteisvaikutuksesta. Routimattomalla maalajilla
tarkoitetaan maata, jossa ei normaaliolosuhteissa muodostu kerrosroudan aiheuttamaa
routanousua. Routivuuskriteeri on sellainen maalajin ominaisuus, joka kuvaa sen
routivuutta. Routivuuden arvioimiseksi ja luokittelemiseksi on esitetty kirjallisuudessa
yli 100 erilaista kriteeriä, jotka voivat perustua sekä maalaji- että
laboratoriotutkimuksiin. Määritystapojen suuri lukumäärä selittyy sillä, että eri
kriteereissä on pyritty huomioimaan toisistaan poikkeavien maalajiominaisuuksien
lisäksi erilaiset ilmasto-, pohja- ja rakenneolosuhteet. Routivuuden arvioinnissa on
useita ongelmia, sillä yhtenäistä testausstandardia ja luokittelua ei ole. Lisäksi monet
kriteerit on laadittu aikana, jolloin rakenteille asetetut laatuvaatimukset olivat nykyistä
lievempiä. Routimiskriteereillä voidaan arvioida maalajin herkkyyttä routia siten, että
maahan muodostuu jäälinsseistä koostuva jäätymisvyöhyke. (Kujala 1996.)
Kansainvälisen geoteknisen yhdistyksen (ISSMFE) routakomitea julkaisi ehdotuksensa
routivuuden määrityskriteereiksi vuonna 1989. Ehdotuksessa kriteerit luokitellaan
kolmeen eri tasoon (kuva 3.7).
Tasoon I kuuluvat kriteerit perustuvat
raekokojakaumaan. Tason II kriteerit perustuvat tason I kriteereihin, joita on
täydennetty luokitus- ja/tai hydraulisilla ominaisuuksilla ja tason III kriteerit perustuvat
malliroutanousukokeisiin sekä in-situ –havaintoihin. (Kujala 1996.)
Kuva 3.7. Routivuuskriteerien luokittelu (Kujala 1996).
22
Yleisin tapa arvioida maamateriaalin routivuutta on käyttää rakeisuuteen perustuvaa
luokitusta, jossa maalajit erotellaan routiviin ja routimattomiin. Kuvassa 3.8 on esitetty
ISSMFE:n
ehdottama
suositus
rakeisuuden
perusteella
määritettäväksi
routivuuskriteeriksi. Hienoaineksen määrällä on oleellinen merkitys maalajin
routivuudessa ja routimisen kannalta merkitystä on alle 0,002 mm ja 0,02 mm raekoon
omaavalla aineksella. Routiviksi maalajeiksi luetaan kaikki rakeisuusalueen 1 maalajit
ja ne alueiden 2, 3 ja 4 maalajit, joiden rakeisuuskäyrä ulottuu vasemmanpuoleiselle
hienompirakeiselle alueelle. Alueen 1L maalajit ovat hienorakeisuutensa vuoksi lievästi
routivia. Materiaali on routimatonta, jos sen rakeisuuskäyrä sijoittuu kokonaisuudessaan
alueen 2, 3 tai 4 sisälle ja materiaali täyttää taulukon 3.1 mukaiset raekokorajat.
Alueella 2 routimattomuuden varmistamiseksi on tarkistettava, että kapillaarinen
nousukorkeus on alle 1 m. Kapillaarisen nousun korkeutta voidaan käyttää
routimiskriteerinä siten, että maalaji luetaan routimattomaksi, jos sen kapillaarinen
nousukorkeus on alle 1 m. Maalaji on lievästi routiva, jos sen kapillaarinen
nousukorkeus on 1,0–1,5 m ja keskinkertaisesti routiva kapillaarisuuden arvoilla 1,5–
2,0 m. Maalaji on erittäin routiva, jos sen kapillaarinen nousukorkeus on yli 2 m.
(Kujala 1996.)
Kuva 3.8. ISSMFE:n mukainen routivuuden arviointi rakeisuuden perusteella (Kujala
1996).
Taulukko 3.1. Hienoaineksen osuudet materiaalin osuessa kuvan 3.8 routimattomalle
alueelle (Kujala 1996).
Rakeisuusalue
Raekoko (mm)
< 0,002
< 0,02
< 0,074
2
3%
10 %
35 %
3
1,5 %
5%
18 %
4
1%
3%
8%
23
Rajatapauksissa ja vaativampien rakenteiden yhteydessä maalajin rakeisuuteen
perustuvaa routivuuden arviointia on täydennettävä tason II sisältämillä luokitus- ja
hydraulisiin ominaisuuksiin perustuvilla lisäkriteereillä. Kriteerien perustana ovat
vakioidulla
routanousukokeella
selvitetyt
routimista
kuvaavat
parametrit
segregaatiopotentiaali
ja
routanousunopeus.
Karkearakeisten
maalajien
routivuusmääritystä voidaan täydentää kapillaarisuuteen ja/tai hienoustekijään
perustuvilla kriteereillä. Hienorakeisten maalajien routivuuden ja routimattomuuden
rajaa
taas
voidaan
tarkentaa
plastisuuteen,
juoksevuusindeksiin
ja
vedenläpäisevyyskertoimeen perustuvilla kriteereillä. (Kujala 1996.)
Kun arvioidaan radan rakennemateriaalien routimattomuutta, on huomioitava, että
monet maamateriaalien routivuusluokittelut on laadittu aikana, jolloin raiteen
tasaisuudelle ei ole asetettu nykyisten liikennöintinopeuksien asettamia vaatimuksia.
Useimmat
luokitukset
eivät
myöskään
arvioi
routivuutta
pelkästään
materiaaliominaisuutena, vaan kuvaavat materiaalin routimisesta aiheutuvan riskin
suuruutta käyttökohteen mukaisissa olosuhteissa. Monet luokitukset on tehty
tienrakennuksen näkökulmasta, eikä tieympäristössä routimattomaksi arvioitu materiaali
välttämättä täytä routimattomuuden määritelmää rataympäristössä. Lisäksi monet
routivuuskriteerit on laadittu keskittyen rakenteen pohjamaan routimisherkkyyteen,
joten kriteerejä ei voida suoraan soveltaa radan rakennekerrosmateriaaleihin.
(Nurmikolu 2006, RIL 2013.)
Nurmikolu (2006) havaitsi suorittamissaan laboratoriokokeissa, että monissa kuvan 3.8
mukaan routimattomiksi luokiteltavissa materiaaleissa esiintyi selvää routanousua.
Nurmikolu ehdottaakin radan rakennekerrosmateriaalien routivuuden arvioinnissa
sovellettavan
”käytännöllisen
routimattomuuden
rajaa”.
Käytännöllisen
routimattomuuden voidaan ajatella riippuvan käyttökohteessa sallituista routanousuista
ja routanousujen ylittymisen seurauksista, joten routimattomuuden rajojen arviointia
varten tulisi olla käytössä kohdekohtaisia routimishavaintoja. Jos kenttähavaintoja ei
ole, voidaan taulukon 3.1 arvoja muokata siten, että ratarakenteiden käytännöllisen
routimattomuuden rajalla olevien materiaalien alle 0,02 mm aineksen osuus olisi 1,5 %.
Radan tukikerroksen sekä väli- ja eristyskerrosten materiaalit tulee valita
Liikenneviraston sekä InfraRYL:n ohjeiden ja laatuvaatimusten mukaisesti, sillä
vaatimuksissa on otettu huomioon routimattomuuden edellytykset rataympäristössä.
Vaatimukset huomioivat muun muassa kiviaineksen hienontumisen vaikutuksen
rakennekerrosmateriaalin routivuuteen. (RIL 2013.)
3.9 Roudan syvyys
Roudan syvyyteen vaikuttavat muun muassa maalaji, ilmasto, maaperän
kosteusolosuhteet sekä lumi- tai kasvipeitteen olemassaolo. Maalajiominaisuuksista
suurin
merkitys
on
maalajin
vesipitoisuudella
sekä
jäätyneen
tilan
lämmönjohtavuudella. Talven pakkasmäärällä on suuri vaikutus roudan syvyyteen sekä
24
sulamispehmenemisajan kestoon. Pakkasmäärään vaikuttaa talven kylmyys ja määrä
toistuu vuosittain erisuuruisena. Pakkasmäärä lasketaan ilman vuorokautisista
keskilämpötiloista kaavan (3-20) mukaisesti. (Kivikoski ja Saarelainen 2000a.)
F = 24
(T
jossa
T,)
(3-20)
F on talven pakkasmäärä [Kh]
Tf on jäätymispiste, 0
Td,j on vuorokauden keskilämpötila päivälle j [ ]
Roudan syvyyden määrittämiseen on kehitetty useita erilaisia laskentamenetelmiä.
Yksinkertaisin laskentakaava on nimeltään Stefanin yhtälö (kaavat 3-21 ja 3-22).
Neliöjuurikaava ottaa huomioon routaantuvan maakerroksen ominaisuudet
maalajikertoimella sekä pakkasmäärän. (Onninen 2001b.)
Z=k
jossa
F
(3-21)
Z on roudan syvyys [m]
k on maalajista riippuva kerroin [mm/
]
F on pakkasmäärä [Kh]
k=
jossa
(3-22)
k on maalajista riippuva kerroin [mm/
on lämmönjohtavuus [W/mK]
L on jäätymislämpö [J/kg]
]
Kirjallisuudessa esitetyt maalajikertoimen kenttämittauksiin perustuvat arvot vaihtelevat
keskimäärin välillä 8–12. Kertoimia voidaan arvioida myös korjauskertoimella, joka
huomioi maan vaihtuvan lämpökapasiteetin. Myös esimerkiksi lumen eristävä vaikutus
voidaan sisällyttää kertoimeen käyttäen sopivia laskumenettelyitä. Maalajikerrointa
käytettäessä on huomioitava, että kertoimen arvo pätee tarkasti vain
mittauspaikkakunnan maalajille ja sitä voidaan soveltaa vain suuntaa-antavasti tietylle
maalajille. (Saarelainen 1990.)
Roudan syvyyttä voidaan arvioida laskennallisesti myös esimerkiksi Watzingerin,
Kindemin ja Michelsenin kehittämällä analyyttisellä laskentamallilla, joka perustuu
Stefanin yhtälöön (Watzinger et al. 1938). Menetelmällä voidaan laskea roudan syvyys
sekä homogeenisessä että kerroksellisessa maassa. Kuvassa 3.9 on esitetty, miten
lämpötila jakautuu laskentamallin mukaan maan jäätyessä. Lämpötilakenttä on kuvan
3.9 mukainen, kun routa on tunkeutunut syvyyteen Z ajassa t. Kuvassa oikealla esitetty
25
lämpömäärä Q on maan jäähtymislämpö, kun maa jäähtyy lähtöhetken lämpötilasta T
(vuoden keskilämpötila) nollaan asteeseen. Kuvan keskellä oleva Q edustaa maassa
olevan veden olomuodonmuutoslämpöä. Kuvassa vasemmalla esitetty Q on rakenteen
jäähtymislämpö, kun maan pintalämpötila laskee nollasta asteesta T :hen (pakkaskauden
keskilämpötila). Laskentamenetelmä esitetään tarkemmin Nurmikolun ja Kolisojan
(2002) julkaisussa Ratarakenteen routasuojaus.
Kuva 3.9. Lämpötilan jakautuminen maan jäätyessä (Watzinger et al. 1938).
3.10 Lumen eristävä vaikutus
Lumipeite vaikuttaa roudan syvyyteen, sillä lumi toimii hyvin lämpöeristeenä huonon
lämmönjohtokykynsä vuoksi. Etenkin huokoisen, kevyen lumen kiderakenteeseen on
sitoutunut paljon ilmaa. Jos pakkasia esiintyy jo ennen lumipeitteen satamista ja
lumikerros jää ohueksi, routa tunkeutuu syvälle maaperään. Runsaslumisina talvina ja
etenkin, jos lumikerros sataa jo alkutalven aikana ennen kovia pakkasia, lumi eristää
hyvin ja roudan tunkeutuvuus pienenee.
Lumipeite koostuu useista paksuudeltaan erilaisista kerroksista, joiden
kideominaisuudet poikkeavat toisistaan. Muun muassa kiteiden rakenne vaikuttaa
lumipeitteen fysikaalisiin ominaisuuksiin, kuten tiheyteen, huokoisuuteen ja
lämmönjohtavuuteen ja siten lumen eristyskykyyn. Lumen lämmönjohtavuuden ja
tiheyden välillä on havaittu olevan voimakas riippuvuus, jota voidaan käyttää apuna,
kun tunnetaan lumen tiheys ja halutaan arvioida lämmönjohtavuutta. Vanhin lumen
tiheyden ja lämmönjohtavuuden välistä riippuvuutta kuvaava ns. Abelin kaava on
esitetty alla (kaava 3-23). Kaavalla ei kuitenkaan voida arvioida uuden huokoisen lumen
tai syväkuuran lämmönjohtavuutta. (Oksanen 1999.)
jossa
0,0285
(3-23)
on lumen lämmönjohtavuus [J/cm]
on tiheys [g/cms
]
26
Lumipeitteen terminen eristävyys kuvaa lumipeitteen kykyä vastustaa lämpötilaeroista
johtuvaa lämmönjohtumista. Lumipeitteen eristävyyteen vaikuttavat lumikerroksen
paksuus ja lämmönjohtavuus kaavan (3-24) mukaisesti.
=
jossa
(3-24)
R on terminen eristävyys [Kh]
h on lumipeitteen paksuus [m]
on lumen lämmönjohtavuus [W/mK]
Termisen eristävyyden suuruuteen vaikuttaa merkittävästi lumen tiheys. Tiheyden
kasvaessa lumen lämmönjohtavuus paranee ja lumipeitteen paksuus pienenee, mikä
johtaa lumen eristyskyvyn alenemiseen. Suomessa lumipeitteen tiheys kasvaa talven
aikana alkutalven keskimääräisestä arvosta 200 kg/m³ kevään maksimitiheyteen, joka
on suuruudeltaan noin 300–400 kg/m³. (Oksanen 1999.)
3.11 Routiiko maa?
3.11.1 Maanäytteet
Olemassa olevan radan rakenteen routivan yläpinnan syvyys saadaan selvitettyä
kairausmenetelmällä, jossa raiteen keskeltä otetaan määrävälein maanäytteitä
kierrekairalla. Pohjatutkimuspisteiden ohjelmoinnin kohdentamisen apuna voidaan
käyttää kunnossapitäjien kokemukseen perustuvaa tietoa sekä raiteentarkastusvaunun
mittaustuloksia. Maanäytteistä määritetään tutkimuspaikalla sepelin, alusrakenteen ja
pohjamaan kerrosrajojen syvyydet sekä otetaan kustakin maakerroksesta näytteet
laboratoriotutkimuksia varten. Laboratoriossa näytteistä tehdään silmämääräinen
maalajimääritys sekä routivuusarvio. Silmämääräisen tarkastelun yhteydessä valitaan
tarvittaessa näytteet, joista määritetään kapillaarinen nousukorkeus ja rakeisuusjakauma
sekä tehdään routanousukokeita routivuuden varmistamiseksi. (Ratahallintokeskus
2002.)
3.11.2 Routanousukoe
Routivuutta voidaan arvioida kokeellisesti luotettavimmin routanousukokeiden avulla.
Routanousukokeen tarkoituksena on määrittää luonnontilaisen tai muottiin rakennetun
maanäytteen routimiskerroin, jota käytetään routanousulaskelmissa. Kokeella saadaan
tietoa
eri
maalajiominaisuuksien
vaikutuksesta
routimisherkkyyteen.
Maailmanlaajuisesti vakiintunutta routanousukoemenettelyä ei ole olemassa ja
Suomessakin koe voidaan suorittaa noudattaen erilaisia standardeja ja koejärjestelyitä.
Koejärjestelyt eroavat toisistaan muun muassa jäähdytyslämpötilojen, laitteiston ja
näytteen valmistelun osalta. Kansainvälisesti routanousu voidaan määrittää myös
menettelyillä, joiden tuloksena ei saada routimiskerrointa, vaan routivuusluokittelu,
jonka perusteella routanousua ei pystytä suoraan laskemaan. (Onninen 2001a,
Nurmikolu 2004.)
27
Suomessa käytetyssä VTT:n routanousukoemenettelyssä sula näyte otetaan maastossa
ohutseinäiseen teräsputkeen painamalla putkea varovasti koekuopan pohjaan, kunnes
putken sisään on saatu vähintään 80 mm korkea näyte. Jäätyneestä, hienorakeisesta ja
kivettömästä maasta näyte otetaan kierrekairalla. Laboratoriossa näytteistä valitaan
mahdollisimman häiriintymätön ja halkeilematon osa routakoenäytteeksi.
Häiriintyneestä maanäytteestä rakennetaan routanousukoenäyte sullomalla sula näyte
halkaistavaan muottiin. (Onninen 2001a.)
Tavallisimmin routanousukoe suoritetaan jäädyttämällä maanäytteen yläosa ja pitämällä
alaosa sulana. Kokeen aikana seurataan muun muassa routarajan syvyyttä ja näytteen
korkeuden muutosta eli routanousua. Kokeessa käytettävien näytesylinterien eli
routasellien koko valitaan maan rakeisuuden perusteella ja sylinterit voivat olla
läpimitaltaan esimerkiksi 80 mm, 100 mm tai 150 mm. Routanousukokeessa käytettävä
maanäyte
otetaan
tutkimuskohteen
edustavasta
pisteestä.
Tutkimuskohteen pohjamaan rakenne ja pohjatutkimustiedot määrittävät maastoalueen
ja maakerroksen, johon routanousukokeella saatua routimiskerrointa voidaan soveltaa.
(Onninen 2001a.)
Routanousukokeet voidaan jakaa karkeasti kolmeen periaatteeltaan erilaiseen tyyppiin,
joita ovat vakiolämpötilakoe, vakioroutaantumisnopeuskoe sekä koetyyppi, joka
perustuu lämmön poistumiseen vakionopeudella. Vakiolämpötilakoe on yleisimmin
käytetty koetyyppi ja siinä näytteen jäädyttäminen tehdään käyttäen yhtä tai useampaa
portaittaista jäädytyspuolen lämpötilan muutosta. Koetuloksista määritetään
segregaatiopotentiaali, jonka avulla voidaan laskea routanousun suuruus.
Vakioroutaantumisnopeuskokeessa jäädytyspuolen lämpötilaa alennetaan jatkuvasti
mieluiten automatisoidusti, jotta näytteessä vallitseva jäätymisraja saadaan etenemään
tasaisella nopeudella. Kokeen tuloksena saadaan routaantumisnopeuden aiheuttama
routanousunopeus, joka kuvaa routimisherkkyyttä. (Nurmikolu 2004.)
3.11.3 Maatutkaluotaus
Maatutkaluotaus (Ground Penetrating Radar, GPR) on geofysikaalinen maanpintaa
rikkomaton tutkimusmenetelmä, jossa maankamaraan lähetetään korkeataajuisia
sähkömagneettisia radioaaltoja muutaman nanosekunnin mittaisina pulsseina.
Radioaaltojen osuessa maassa sähköisten ominaisuuksien rajapintaan osa energiasta
heijastuu ylöspäin osan energiasta jatkaessa kulkuaan alempiin maakerroksiin optiikan
lakien mukaisesti. Heijastuneiden osien amplitudit ja heijastukseen kulunut aika
rekisteröidään ja tallennetaan digitaalisesti maatutkalaitteistolla. Aaltojen heijastus on
sitä suurempi, mitä suuremmat erot eri kerrosten sähköisissä ominaisuuksissa on.
Tutkan liikkuessa tulostussignaalit eli pyyhkäisyt piirretään intensiteettipiirturilla
tiheästi peräkkäin, jolloin tuloksena saadaan jatkuva profiili maaperässä tapahtuvista
sähköisistä muutoksista. Tutkasignaalin valinnalla on vaikutusta luotauksen
syvyysulottuvuuteen ja erottelukykyyn. Korkeammilla taajuuksilla saadaan ohuet
kerrokset erottumaan paremmin, mutta syvyysulottuvuus pienenee. Vastaavasti
28
matalataajuisilla antenneilla erottelukyky on karkeampi, mutta syvyysulottuvuus
huomattavasti parempi kuin korkeampia taajuuksia käytettäessä. (Peltoniemi 1988,
SGY 1991.)
Maatutkaluotausta voidaan käyttää radan routaongelmien selvittämiseen ja
paikantamiseen. Kuvassa 3.10 on esitetty maatutkaprofiili, johon on tulkittu
ratarakenteen kerrosrajat. Ratarakenteen luotauksessa käytetään 80–300 MHz:n
antenneja ja tutkan avulla voidaan selvittää ratarakenteiden paksuudet sekä kerätä tietoa
tukikerrosmateriaalin ja pohjamaan laadusta sekä rakennepoikkeamista. Luotauksella
saadaan tietoa radan pohjamaan routivuudesta, sillä routimisen mahdollistavan
hienoaineksen korkeampi vesipitoisuus vaimentaa tutkasignaalin korkeita taajuuksia.
Maatutkalla voidaan myös paikantaa olemassa olevia routaeristeitä. Eristeiden sijainnin
selvittäminen on tärkeää, sillä vanhat vettyneet eristeet aiheuttavat routimista
ratarakenteessa ja lisäksi routalevyt voivat aiheuttaa ongelmia sepelinpuhdistuksessa.
Maatutkaluotauksella saadaan myös tietoa roudan syvyydestä sekä radan mahdollisista
kuivatusongelmista, jotka voivat johtaa routimiselle suotuisien olosuhteiden
kehittymiseen. (Passi 2007, Nurmikolu 2011a.)
Kuva 3.10. Esimerkki maatutkalla saatavasta ratarakenteen tutkaprofiilista (Passi
2007).
Maatutkaluotauksen hyviä puolia ovat suuri mittausnopeus, kustannustehokkuus sekä
suhteellisen hyvä tunkeutuvuus ja tuloksena saatava ratarakenteen jatkuva profiili.
Rataympäristössä on myös huomattava etu, että mittaukset voidaan suorittaa liikkuvalla
kalustolla rakennetta rikkomatta ja muuta raideliikennettä häiritsemättä.
Maatutkaluotausta käytettäessä on huomioitava, että datan analysointi edellyttää
ammattitaitoa ja syvyyshavaintojen kalibrointi vaatii tuekseen jonkin verran
referenssikairauksia. Maatutkaluotauksen rajoitteena on myös se, ettei se sovellu
savimaiden tutkimiseen, sillä tutkasignaali vaimenee voimakkaasti savessa. (SGY 1991,
Nurmikolu 2011a.)
29
3.11.4 Routaseuranta-asemat
Ratahallintokeskuksen (nykyisin Liikennevirasto) toimeksiannosta on Tampereen
teknillisessä yliopistossa kehitetty automaattinen monitorointijärjestelmä routimisen
seurantaan. Ensimmäiset seurantatulokset on saatu talvilta 2009–2012. Routivat
materiaalit ratarakenteessa eivät automaattisesti aiheuta routaongelmia, minkä vuoksi on
tärkeää saada mittausten avulla tietoa routimattomuuden kriteerien täsmentämiseksi ja
kalibroimiseksi. Maastossa kerätyn mittausdatan avulla voidaan muodostaa yhteys
routanousukokeiden tulosten ja radassa tapahtuvan todellisen routimisen välille.
Monitorointijärjestelmällä saatuja mittaustuloksia voidaan myös käyttää tukena, kun
arvioidaan eri korjaustoimenpiteiden soveltuvuutta routaongelmien vähentämiseen.
Routaseuranta-asemat koostuvat lämpötila- ja siirtymäantureista ja ne välittävät
reaaliaikaista tietoa roudan tunkeutumissyvyydestä sekä routanoususta ja sen
ajankohdasta. Roudan syvyys selvitetään mittaamalla ratapenkereen lämpötila.
Routanousu mitataan siirtymäantureilla, joiden referenssipisteiksi asennetaan
havaintotangot routimattomaan syvyyteen. (Luomala 2010.)
30
4 Routaongelmat radoilla
4.1 Routaongelmien yhteiskunnalliset vaikutukset
Routaan liittyvät ilmiöt aiheuttavat Suomessa vuosittain liikenteellistä haittaa ja
routaongelmista seuranneet myöhästymiset raideliikenteessä ovatkin olleet
julkisuudessa korostuneesti esillä viime vuosina. Yhä suurempiin liikennöintinopeuksiin
pyrittäessä raiteen tasaisuusvaatimukset ovat tiukentuneet. Routiville rataosille
joudutaankin usein asettamaan nopeusrajoituksia, joiden avulla pyritään pienentämään
routimisesta aiheutuvien epätasaisuuksien vaikutuksia. Nopeusrajoituksilla on suurempi
vaikutus henkilö- kuin tavaraliikenteeseen, sillä suurin osa rajoituksista ei koske
tavaraliikennettä ja tavaraliikenteelle asetetut nopeudet ovat jo valmiiksi alhaisempia.
Tavaraliikenne kärsii routanopeusrajoituksista pääosin silloin, kun henkilöliikenne
häiriintyy, sillä henkilöliikenne on junien priorisointiasteikolla tavaraliikennettä
korkeammalla
sijalla.
Yhdistetyt
kuljetukset
ovat
kuitenkin
tarkasti
aikataulusidonnaisia, joten niillä roudan aiheuttama myöhästyminen heikentää
kuljetusten kilpailukykyä. (Liikennevirasto 2011b.)
Yhteiskunnan kehittymisen myötä matkustajien odotukset raideliikenteen aikataulujen
pitävyyden
ja
matka-aikojen
kohtuullisuuden
suhteen
ovat
kasvaneet.
Rautatiejärjestelmä on kuitenkin hyvin häiriöherkkä ja yksittäinenkin radan
ongelmakohta voi sysätä liikkeelle kerrannaisvaikutusten ketjun, jonka seurauksena
liikenteen myöhästymisen vaikutukset yhdellä rataosalla kohdistuvat laajalle alueelle.
Roudan aiheuttamat vaikutukset junaverkolle voidaan jakaa primäärisiin ja
sekundäärisiin haittoihin. Primääristen haittojen vuoksi junaliikenne ei pysy
suunnitellussa aikataulussa ja syntyy myöhästymisiä. Suorat vaikutukset heijastuvat
muuhun liikenteeseen aiheuttaen sekundäärisiä haittoja, kuten vaihtoyhteyksien
katkeamisia ja korjaustoimenpiteistä aiheutuvien kustannusten kasvua. (Liikennevirasto
2012.)
Rataosan häiriöherkkyyteen vaikuttavat muun muassa rataosan raiteiden lukumäärä,
asetetun nopeusrajoituksen suuruus, liikennemäärä, liikennepaikkaväli sekä suojastus.
Liikennepaikat mahdollistavat junien ohitukset sekä kohtaamiset ja suojastuksella
mahdollistetaan junayksiköiden kulku peräkkäin. Mitä tärkeämmällä rataosalla
routahaittoja esiintyy, sitä suurempia kerrannaisvaikutuksia koko liikenneverkolle
routimisesta aiheutuu. Esimerkiksi tärkeän yksiraiteisen rataosan häiriön vaikutukset
voivat kertautua koko verkkoon. Liikenteen häiriintyessä muun muassa junakohtaamiset
menevät sekaisin ja mikäli ratakapasiteetti on täynnä, liikennettä on vaikeaa saada
normalisoitua. (Liikennevirasto 2011a.)
Routiminen synnyttää radan alus- ja päällysrakenteissa pystysuuntaisia
muodonmuutoksia. Yhdessä liikennekuormituksen kanssa muodonmuutokset
aiheuttavat raidevirheiden kasvua, minkä seurauksena liikennöitävyys ja
matkustusmukavuus kärsivät huomattavasti. Matka-aika ja etenkin liikenteen
31
täsmällisyys ovat merkittäviä liikennemuodon valintaa määrittäviä tekijöitä, joten
rautatieliikenteen
sujuvuudella
ja
luotettavuudella
on
suuri
vaikutus
matkustajatyytyväisyyteen. Aikataulut ovat rataverkon käyttäjille lupaus liikennöidä
tiettynä aikana tiettyjen liikennepaikkojen välillä, joten myöhästymiset ja niistä
seuraavat jatkoyhteyksien katkeamiset sekä junavuorojen peruminen aiheuttavat
raideliikenteen käyttäjissä ärtymystä ja madaltavat kynnystä siirtyä käyttämään muita
kulkumuotoja. Lisäksi routavaurioiden aiheuttamat liikenteen viivytykset huonontavat
raideliikennejärjestelmän imagoa. (Goverde 2005.)
Roudan aiheuttamista ongelmista syntyy yhteiskunnalle kustannuksia. VR Track Oy on
laatinut Liikennevirastolle toimenpideohjelman routavaurioiden korjaamiseksi
rahoitustarvearvioineen. Kustannusten muodostumisen oletuksena on, että suurin osa
routakohteista pystytään korjaamaan päällysrakennetöillä ja routalevytyksellä.
Perustapauksissa kustannusten suuruudeksi on arvioitu 300 euroa/raidemetri. Mikäli
kyseessä on radan tekninen epäjatkuvuuskohta, kuten vaihderakenne tai rumpupaikka,
kustannukset muodostuvat selkeästi suuremmiksi. Mikäli rataverkon routapaikat
parannettaisiin tasoon F10, joka vastaa kerran 10 vuodessa toistuvaa pakkastalvea,
kustannukset olisivat suuruudeltaan 500 miljoonaa euroa. (Liikennevirasto 2011a.)
4.2 Ongelmien laajuus ja vakavuus
Viideltä aikaisemmalta vuosikymmeneltä tunnetaan viisi vakavaa routakevättä, jotka
koettiin vuosina 1960, 1987, 2003, 2010 ja 2011.
Kuvassa 4.1 on esitetty
routailmoitusten sekä asetettujen nopeusrajoitusten määrä vuosina 2003–2011.
Nopeusrajoitusten määrän tarkastelussa on huomioitava, että rajoitusten määrä on radan
nopeuden funktio. Radan nopeuksien nosto lisää siis myös nopeusrajoitusten määrää.
Suomen liikennöidyn rataverkon pituus vuonna 2011 oli 5919 kilometriä ja kuvasta 4.1
havaitaan, että rautatiehistorian ankarimpana talvena vuonna 2010 lähes 20 prosentin
osuus raideverkosta oli nopeusrajoitettua. Leudompina talvina vuosien 2004–2009
aikana rajoituksia asetettiin keskimäärin vain 1–5 kilometrille. Myös vuonna 2011
routavauriot olivat huomattavan suuria ja roudasta aiheutuvia nopeusrajoituksia
asetettiin enimmillään noin 800 kilometrin matkalle. Vuosi 2012 osoittautui kahta
edeltävää vuotta helpommaksi routatalveksi ja nopeusrajoituksia asetettiin enimmillään
noin 60 kilometrin matkalle. Routavauriot esiintyivät suurimmaksi osaksi samoissa
kohteissa kuin vuosina 2010 ja 2011. (Levomäki 2012b.)
32
Kuva 4.1. Routapaikkailmoitusten ja nopeusrajoitusten määrä vuosina 2003–2011
(Liikennevirasto 2011a).
Liikennevirasto on asettanut yhdessä VR Groupin kanssa täsmällisyystavoitteet henkilöja tavaraliikenteelle. Henkilökaukoliikenteessä ja tavaraliikenteessä pyritään yli 90 %
täsmällisyyteen määräasemalla. Helsingin seudun lähiliikenteessä tavoitteena on yli
97,5 % täsmällisyys lähtö- ja määräasemalla. Liikenne- ja viestintäministeriö on lisäksi
asettanut Liikennevirastolle erillisen radanpidon aiheuttamaan epätäsmällisyyteen
liittyvän päämäärän. Vuosina 2010 ja 2011 tavoitteena on ollut, että enintään 4 %
henkilökaukoliikenteen junista ja 1 % lähiliikenteen junista myöhästyisi aikataulustaan
radanpitoon liittyvien syiden vuoksi. (Liikennevirasto 2012.)
VR Yhtymä otti vuoden 2011 talvella ensimmäistä kertaa käyttöön routa-aikataulut,
joiden tarkoituksena oli vähentää roudasta johtuvaa myöhästymistä. Aikatauluissa
huomioitiin tietyille rataosille roudan takia asetetut liikennöintiä hidastavat
nopeusrajoitukset lisäämällä hallitusti matka-aikoja. Kaukojunien aikataulumuutokset
kohdistettiin routavaurioista todennäköisesti kärsiville rataosille, jotta liikennöintiä
voitiin hoitaa sujuvammin. Muutosten seurauksena kaukojunien matka-ajat pitenivät
muutamilla reiteillä Pohjois- ja Itä-Suomessa reittikohtaisesti 20–90 minuuttia.
Aikataulut olivat käytössä huhtikuusta kesäkuun alkupuolelle asti ja niiden avulla
junamatkustajat saivat realistisempaa tietoa matkustusajoista jo ennen matkaa. Routaaikataulujen käytöstä oli kohtuullista hyötyä ja junien liikennöinnin täsmällisyyttä
saatiin parannettua. (Liikennevirasto 2011a.)
Kuvassa 4.2 on esitetty rataverkolle asetettujen nopeusrajoitusten ajoittuminen vuosina
2010 ja 2011. Kuvasta huomataan, että suurin osa routarajoituksista ajoittui huhtikuun
ja toukokuun välille. Ensimmäiset rajoitukset asennettiin joulu-tammikuussa ja
viimeiset poistettiin kesä-heinäkuun aikana. Vuonna 2011 routakausi alkoi noin
kuukautta aikaisemmin ja päättyi hieman alle kuukautta myöhemmin kuin vuonna 2010.
Liitteessä 3 on esitetty vuoden 2011 routapaikkojen maantieteellinen sijoittuminen.
Nopeusrajoituksia ja roudan aiheuttamien raiteen epätasaisuuksien tasaamiseksi tehtyjä
kiilauksia oli erittäin paljon ja rajoitukset sijoittuivat ympäri Suomen rataverkostoa.
33
Routahaitat olivat huomattavan suuria etenkin Pohjois-, ja Keski-Suomessa EteläSuomen vaurioiden jäädessä vähäisemmiksi. (Liikennevirasto 2011a.)
Kuva 4.2. Rataverkolle asetettujen nopeusrajoitusten ajoittuminen vuosina 2010 ja
2011 (Liikennevirasto 2011a).
Routavaurioiden aiheuttaman liikenteellisen haitan merkittävyys riippuu radan
liikenteellisistä oloista. Samansuuruiset routavauriot eivät aiheuta yhtä suurta
kunnossapitotarvetta eri rataosuuksilla, sillä radan liikenteelliset olot ja siten
kunnossapitotaso määrää radan liikennöintinopeuden ja sallitut korkeuspoikkeamien
raja-arvot. Kunnossapitotason nosto lisää korjausta vaativien routavaurioiden määrää ja
vastaavasti tason aleneminen vähentää korjaustarvetta.
Roudan aiheuttamien haittojen suuruutta eri kunnossapitotason rataosilla pystytään
vertailemaan myöhästymisminuuttien avulla. Teoreettisella myöhästymisellä
tarkoitetaan sallitun nopeuden ja routanopeusrajoituksen aikaeroa routapaikkaa
ohittaessa ja sen suuruus voidaan laskea routapaikka- ja ratavälikohtaisesti.
Henkilöliikenteen junien todellisia myöhästymisiä rataverkolla on seurattu vuodesta
2005 alkaen Liikenneviraston junien seurantajärjestelmällä (JUSE). Junien kulkutiedot
kirjautuvat järjestelmään liikenteenohjausjärjestelmistä tai liikenteenohjaajan
syöttämänä ja tietoja verrataan aikataulussa annettuun arvoon. Liikenteenohjaaja kirjaa
järjestelmään myöhässä olevien junien myöhästymissyyn. (Liikennevirasto 2011a,
Liikennevirasto 2012.)
4.3 Kunnossapitäjien havaitsemat epätasaisuudet
Kuvassa 4.3 on esitetty radan kunnossapitäjien näkemys vuosien 2003–2009
routavaurioiden syyjakaumasta. Arvion mukaan noin 60 prosenttia eli valtaosa
routavaurioista on aiheutunut ratarakenteiden ja niissä käytettyjen materiaalien
34
ongelmista. Noin 15 prosenttia ongelmista on ollut radan epäjatkuvuuskohtien
aiheuttamia. Jäljelle jäävissä routakohteissa routimista ovat aiheuttaneet muut syyt (6,86
%) tai syitä ei tiedetä (23,84 %). Syiden jakaumaa tarkasteltaessa on huomioitava, että
eri kunnossapitoalueilla esiintyy merkittäviä eroja eri syiden lukumäärissä. Suuriin
poikkeamiin on suhtauduttava varauksella, sillä routimisen syy ei aina ole
kunnossapitäjän ilmoittama. Lisäksi on huomioitava, etteivät kaikki roudan
aiheuttamiksi tulkitut radan epätasaisuudet välttämättä johdu roudasta. (Saarinen 2008,
Liikennevirasto 2011a, Kuula-Väisänen ja Nurmikolu 2012.)
Kuva 4.3. Kunnossapitäjien näkemys routaongelmien syistä vuosina 2003–2009
(Liikennevirasto 2011).
4.4 Routaongelmien syiden analysointi
Routaongelmien syiden analysointi on haastavaa ja samassa ongelmakohteessa
vaikuttaa usein lukuisia routimiseen johtavia syitä. On myös mahdollista, että etenkin
keväisin radan vaurioita tulkitaan roudan aiheuttamiksi, vaikka kyse on ratarakenteen
materiaalien luonnollisesta ikääntymisestä ja siten laadun huononemisesta. Suomen
rataverkolla on kohteita, joissa esimerkiksi tukikerros on tehty 60-luvulla, joten
sepeliaines alkaa olla elinkaarensa lopussa, mikä näkyy muutoksina radan geometriassa.
Vanhoilla pehmeän pohjamaan varaan perustetuilla radoilla esiintyy myös paikoin
ratarakenteiden painumia, jotka tulee erottaa routavaurioista. Lisäksi rataosuuksien
teknisiin epäjatkuvuuskohtiin voi syntyä painumia roudan sulamispehmenemisen
aikana, kun rakenteiden jäykkyyserot korostuvat. Kyse ei siis yleensä ole varsinaisesta
routimisesta.
Suomen rataverkoston 150-vuotisen historian aikana ratarakenteille asetetut vaatimukset
ovat ehtineet muuttua monesti ja radan rakentamisessa, kunnossapidossa sekä
perusparannustöissä on ollut käytössä useita erilaisia menetelmiä. Aikaisemmin on
esimerkiksi ollut tapana rakentaa uudet rakenteet vanhojen rakennekerrosten päälle.
35
Valtaosa alusrakenteista on lisäksi rakennettu 1940-luvulla, eikä rakennemateriaaleille
ole ollut käytössä laatuvaatimuksia ennen 1960-lukua. Vanhojen rataosuuksien
routimattomien kerrosten rakennepaksuudet ovatkin 2000-luvun ohjeisiin verrattuna
valtaosin alimitoitettuja ja alusrakenteissa on käytetty routivia rakennemateriaaleja.
Lisäksi 2000-luvulla ratarakenteisiin kohdistuu huomattavasti suurempi dynaaminen
kuormitus kuin vuosisataa aikaisemmin. (Saarinen 2008, Liikennevirasto 2011a.)
Saarisen (2008) diplomityössä on selvitetty olemassa olevien ratojen alusrakenteissa
käytettyjen sora- ja hiekkamateriaalien routimisherkkyyttä. Työssä otettiin rataverkolta
yhteensä 60 näytettä 30:stä eri kohteesta, joissa kaikissa oli havaintoja routimisen
aiheuttamista haitoista. Routanousukokeiden tulokset osoittivat, että näytteistä yli 60 %
ylitti Nurmikolun (2006) radan rakennemateriaaleille arvioiman käytännöllisen
routimattomuuden rajan. Tutkimuksessa saadut tulokset osoittavat, että ratojen
alusrakennekerroksissa on monissa paikoissa routimisherkkää materiaalia. Paikoin on
myös mahdollista, että routivaa pohjamaata on sekoittunut alusrakenteeseen.
Routaongelmia ratarakenteessa aiheuttavat myös vanhat routaeristelevyt, jotka ovat
vettyessään menettäneet huomattavasti lämmöneristyskykyään, eivätkä eristeet enää
estä roudan tunkeutumista routivaan pohjamaahan. Lisäksi etenkin maa- ja
kallioleikkauksissa puutteelliset alus- ja päällysrakenteen kuivatusjärjestelyt luovat
otolliset
olosuhteet
routavaurioiden
kehittymiselle,
koska
jäälinssien
muodostumisvyöhykkeeseen on saatavilla vettä. Routavaurion syynä voi olla myös yliikäinen, jauhaantunut tukikerrossepeli, sillä hienoaineksen suuri määrä pienentää
materiaalin hydraulista johtavuutta ja vedenpidätyskyvyn kasvu mahdollistaa
routimisen. Keväisin roudan sulamispehmenemisen aikaan radan päällysrakenteeseen
voi syntyä pysyviä muodonmuutoksia, kun hienontuneen tukikerroksen kantavuus
pienenee. (Lim 2004, Liikennevirasto 2011a.)
Myös ilmastoteknisillä olosuhteilla ja tekijöillä on vaikutusta roudan kehittymiseen.
Roudan tunkeutumisen syvyyteen vaikuttavat muun muassa talven pakkasmäärä,
pakkaskautta edeltäneiden sateiden määrä, lumipeitteen syvyys sekä paikalliset vaihtelut
ilmastossa. (Liikennevirasto 2011a.)
4.4.1 Tukikerrosmateriaalin hienoneminen
Radan tukikerrosmateriaalina käytetään yleisimmin raidesepeliä, joka on karkearakeista
murskattua kiviainesta. EU-maissa vuonna 2004 voimaan tullut CEN-normi määrää,
että raidesepelin on kuuluttava johonkin taulukossa 4.1 esitetystä kuudesta (A–F)
raekokojakaumaluokasta. Suomessa käytössä ovat luokat C, E ja F siten, että
pääradoilla käytetään luokkaan F kuuluvaa sepeliä ja vähäliikenteisillä radoilla sekä
sivuradoilla käytetään luokan E sepeliä. Luokkaan E kuuluu myös uusioraidesepeli,
johon on lisätty luokan F sepeliä. Luokan C sepeliä käytetään kuormaus- ja
vaihtotyöalueilla. Tukikerrosmateriaalilta edellytetään pitkää käyttöikää ja elinkaarensa
aikana sepeli joutuu toimimaan rankassa kuormitusympäristössä. Ympäristö-, liikenne-
36
ja kunnossapitorasitus hienontaa tukikerrosainesta ja muuttaa ratarakenteen muotoa,
jolloin raidegeometrialle asetettujen tarkkojen tasaisuusvaatimusten täyttyminen
vaarantuu. Hienoaineksella tarkoitetaan yleensä raekokoa 0,06–0,075 mm pienempää
ainesta. (Nurmikolu 2004, Ratahallintokeskus 2004c.)
Taulukko 4.1. Raidesepelin rakeisuusvaatimukset standardin SFS-EN 13450 mukaan
(Ratahallintokeskus 2004c).
Tukikerrossepelin käyttöikä määräytyy pääasiassa kiviaineksen lujuusominaisuuksien,
liikennekuormituksen ja ratarakenteen muiden komponenttien kunnon perusteella.
Suomessa raidesepelin uusimis- ja puhdistamistarvetta mitataan rakeisuusluvulla, jonka
selvittämiseksi otetaan ratapölkyn pään vierestä tukikerrosnäytteet kolmelta eri
syvyydeltä ja lasketaan yhteen 1, 8 ja 25 mm seulojen läpäisyprosenttien summa. Kun
tarkasteltavan rataosuuden keskimääräinen rakeisuusluku ylittää arvon 88, sepeli on
selkeästi hienontunutta ja puhdistusraja on saavutettu. Myös maatutkalla voidaan tutkia
tukikerroksen kuntoa. Maatutkaluotauksella saadaan tietoa tukikerroksen ominaisuuksista nopeasti ja kustannustehokkaasti. (Ratahallintokeskus 2000, Väisänen ja
Nurmikolu 2012.)
Hienoaineksen määrä ja laatu vaikuttavat tukikerroksen routimisherkkyyteen, sillä
pieneksi jauhautunut kiviaines estää tai hidastaa veden virtausta sepelikerroksen läpi,
jolloin alun perin routimaton materiaali saattaa muuttua routivaksi. Tukikerroksen
hienoaines voi tunkeutua myös alusrakenteeseen, mikä on erityisen ongelmallista, sillä
alusrakenteen hienonemista on vaikea arvioida ja alusrakenteen vaihto on huomattavasti
hankalampaa kuin tukikerrosmateriaalin uusiminen. On myös mahdollista, joskin
harvinaista, että tukikerrokseen nousee savea tai muuta hienorakeista ainesta radan
alemmista kerroksista. Routimisen aiheuttamat routanousut radan rakennekerroksissa
vaikeuttavat raidegeometrian ylläpitoa halutulla tasolla. (Ratahallintokeskus 2000,
Nurmikolu 2004.)
37
4.5 Ongelmien havaitseminen ja seuranta
4.5.1 Seuranta
Routatilanteen kehittymistä rataverkostolla seurataan jatkuvasti, jotta liikenne raiteilla
kulkisi mahdollisimman turvallisesti, täsmällisesti ja luotettavasti. Lisäksi
samanaikaisesti tehdään kunnossapitotöitä routavaurioiden ja nopeusrajoitusten
välttämiseksi. Routatilanteen tarkkailu on kunkin rataosan kunnossapitäjän vastuulla ja
kun vaurio havaitaan, kohdalle asetetaan nopeusrajoitus. Rajoituksen suuruus on
minimissään 50 km/h ja pääsääntöisesti 80 tai 100 km/h. (Liikennevirasto 2011b.)
4.5.2 Radantarkastus
Radantarkastuksen tärkeimpänä päämääränä on varmistaa turvallinen liikennöinti sekä
radan käytettävyys. Tarkastuksella huolehditaan myös siitä, että radan liikenteellinen
palvelutaso täyttää sille asetetut tavoitteet. Tietoa radan kunnosta tarvitsevat
kunnossapitäjät, urakoitsijat, rataisännöitsijät, valvojat, suunnittelijat, Liikennevirasto
sekä Liikenteen turvallisuusvirasto. Tarkastustietojen perusteella toteutetaan
kunnossapitotyön ohjaus, hyväksyntä ja valvonta. Lisäksi tietoja käytetään, kun
suunnitellaan radanpitotöiden kohdentamista paikallisiin virhekohtiin ja laajempien
kunnossapito-ohjelmien
ohjelmointia
mahdollisimman
taloudellisesti.
(Ratahallintokeskus 2006.)
Radan geometrian tarkastusmenetelmiä ovat koneellinen tarkastus tarkastusvaunulla,
kävelytarkastus sekä tarkastus liikkuvasta kalustosta. Kävelytarkastus on säännöllinen
näköhavaintoihin perustuva radan kunnon tarkastus, jonka lähtötietoina otetaan
huomioon
tarkastusvaunumittausten
ja
muiden
tarkastusten
tulokset.
Kävelytarkastuksesta laaditaan tarkastusdokumentti. Liikkuvasta kalustosta tehtävä
tarkastus taas tehdään tavallisimmin junan tai veturin ohjaamosta käsin. Pääosin
aistinvaraisesti havainnoidut raidevirheet tutkitaan tarvittaessa tarkemmin muilla
radantarkastusmenetelmillä. Tarkastaja voi junaturvallisuuden varmistamiseksi asettaa
kunnossapitoa edellyttävälle rataosalle nopeusrajoituksen ja todetut virheet ilmoitetaan
radan kunnossapidosta vastaavalle henkilölle. (Ratahallintokeskus 2006.)
Radan kunnossapitotaso määrää, kuinka usein ja millä menetelmillä rata on
tarkastettava. Radan kunnossapitotaso määritetään liikenteellisten tarpeiden,
päällysrakenteen ja maksiminopeuden perusteella. Kunnossapitotasoja on kahdeksan ja
niitä merkitään tunnuksilla 1AA, 1A, 1, 2, 3, 4, 5 ja 6. Esimerkiksi korkeimmalla
kunnossapitotasolla 1AA tarkastusvaunumittauksia tehdään kuusi kertaa vuodessa,
mutta pahoina routavuosina on suoritettu ylimääräisiä raiteentarkastusajoja routimisen
aiheuttamien
raidevirheiden
ja
nopeusrajoitustarpeiden
selvittämiseksi.
Radantarkastusmittauksia on aikanaan tehty muun muassa resiinalla, mutta
tarkastusmenetelmät ovat vuosisatojen kuluessa kehittyneet ja nykyisin Suomessa
kerätään tietoa roudan aiheuttamista raidevirheistä radantarkastusvaunu EMMA:lla
(kuva 4.4). (Ratahallintokeskus 2006, Levomäki 2007.)
38
Kuva 4.4. Radantarkastusvaunu EMMA (Levomäki 2007).
Tarkastusvaunumittauksilla selvitetään raiteen geometrista kuntoa ja sähköradan
ajolangan suhteellista asemaa raiteeseen nähden. Mittauksilla valvotaan geometristen
turvallisuusvaatimusten täyttymistä sekä raiteen ja ajolangan geometrista kuntoa ja
laatua. Mitattavat geometriset suureet on esitetty kuvissa 4.5a–4.5e. Raideleveyden
(kuva 4.5a) nimellismitta on 1524 mm ja sillä tarkoitetaan lyhintä etäisyyttä kiskojen
kulkureunojen välillä mitattuna kiskon kulkupintojen suuntaisesti. Raiteen kallistuksella
(kuva 4.5b) kuvataan sisä- ja ulkokiskojen välistä korkeuseroa. Kallistus mitataan joko
kiskon kulkupintojen ja vaakasuoran horisontin välisenä kulmana tai yleisemmin
kahden kiskon kulkupinnan korkeuserona. Korkeuspoikkeamalla (kuva 4.5c)
tarkoitetaan kiskon kulkupinnan teoreettisen jänteen keskipisteen etäisyyttä kiskon
todellisesta kulkupinnasta. Kierous (kuva 4.5d) tarkoittaa vierekkäisten kiskojen
kallistuksen muutosta. Nuolikorkeudella tarkoitetaan kaaren jänteen keskipisteen
etäisyyttä kaaresta (kuva 4.5e). Säännöllisessä ympyränkaaressa nuolikorkeuden
maksimiarvo on jänteen keskikohdalla. Säännöllisessä suorassa nuolikorkeus on nolla.
(Ratahallintokeskus 2005.)
Kuva 4.5a. Raideleveys.
Kuva 4.5b. Kallistus.
39
Kuva 4.5c. Korkeuspoikkeama.
Kuva 4.5d. Kierous.
Kuva 4.5e. Nuolikorkeus.
Tarkastusvaunumittauksissa mitattavat geometriset suureet jaetaan kolmeen eri
virheluokkaan, jotka ovat C-, D- ja *-luokka. Virheluokille on asetettu
kunnossapitotasokohtaiset raja-arvot. C-luokan virheellä tarkoitetaan alkavaa virhettä,
jonka kehittymistä on tarkkailtava ja joka tulee mahdollisesti korjata. D-luokan virhe on
lähitulevaisuudessa korjattava virhe, joka on sisällytettävä kunnossapitosuunnitelmaan
ja korjattava lähitulevaisuudessa. D-luokan virheet vaikuttavat kilometrin
virhemetrimäärään. Jos tarkastuksissa havaitaan *-luokan virhe, kunnossapitäjän on
arvioitava välittömästi virheen edellyttämät toimenpiteet ja tarvittaessa laskettava
rataosan nopeusrajoitusta, kunnes virhe on korjattu. Nopeusrajoituksen suuruus on
määriteltävä siten, ettei virhe sitä vastaavalla kunnossapitotasolla enää ole *-luokan
virhe. Jos kunnossapitotason alentamisen jälkeenkin virhe kuuluu *-luokkaan, virhe
arvioidaan tapauskohtaisesti ja liikenne keskeytetään tarvittaessa. (Ratahallintokeskus
2005, Ratahallintokeskus 2006.)
Raidegeometriamittauksen tuloksena saadaan A3-kokoinen paperinen käyrätuloste,
virhelistaus sekä vaihde- ja kilometriyhteenvedot jokaiselta mitatulta kilometriltä.
Yksittäisen kilometrin osalta kuntotiedot selviävät kyseisen kilometrin kmyhteenvedosta. Kilometrin arvostelun perusteena on virhemetrimäärä, joka saadaan
laskemalla kyseisellä kilometrillä esiintyneiden D-luokan virheiden pituuksien
40
metrimäärä siten, että päällekkäin esiintyvät eri suureiden D-luokan virheet lasketaan
mukaan vain kerran. Raiteen kokonaiskunto tietyllä rataosuudella saadaan selville välin
rataosakohtaisesta yhteenvedosta. Rataosan päällysrakenteen geometrista kuntoa
kuvataan geometrisen kunnon palvelutaso –luvulla. Geometrisen kunnon palvelutaso
(GKPT) on prosenttiluku ja se lasketaan tarkasteltavan rataosan kilometrien
arvosteluista. Kuntoindeksin maksimiarvo on 100 %. (Ratahallintokeskus 2006.)
Routimisen vaikutusten selvittämisen kannalta tärkeitä tarkastussuureita ovat kallistus,
korkeuspoikkeama ja kierous. Mittausvaunun tulosteista nähdään, mikäli raide on
roudan suorasta tai välillisestä vaikutuksesta noussut, painunut tai siirtynyt. Kuvassa 4.6
on esimerkki routivan kohteen käyrätulosteista syksyllä ja keväällä. Roudan aiheuttamat
virheet voidaan erottaa muista radan epätasaisuutta aiheuttavista syistä vertaamalla
syksyn ja kevään mittaustuloksia. Tietoa roudan aiheuttamista muutoksista raiteen
asemassa saadaan myös veturinkuljettajilta. Suurin osa routa-ajan nopeusrajoituksista
asetetaan kuitenkin EMMA:n ajojen tulosten perusteella. Yli-ikäisillä päällysrakenteilla
on havaittu olevan nähtävissä roudan aiheuttamia vaikutuksia jo alkuvuodesta tammi- ja
helmikuussa. Vaikutukset näkyvät lisääntyneinä kallistus- ja kierousvirheinä, jotka ovat
jo osittain siirtyneet nuolikorkeusvirheisiin. (Liikennevirasto 2011b, Levomäki 2012a.)
Kuva 4.6. Tarkastusvaunumittauksen routivan kohteen käyrätulosteet syksyllä ja
keväällä (Levomäki 2012a).
4.5.3 Routapaikkarekisteri
Liikennevirasto ohjaa rataverkon liikennöintiä, kunnossapitoa ja radan perusparannuksia
kattavan hallintajärjestelmän ja erinäisten rekisterien avulla. Routahaittojen seuraamista
varten on perustettu routapaikkarekisteri, jota päivitetään routa-aikana marraskuusta
heinäkuuhun. Ratojen kunnossapidosta vastaavat Liikenneviraston toimeksiannosta VR
41
Track Oy ja Destia Rail Oy. Kunnossapitäjät tekevät routapaikkailmoituksia, joiden
perusteella rekisteriin kerätään mahdollisimman reaaliaikaista tietoa routakohteiden
sijainneista, kiilauksista, asetetuista nopeusrajoituksista sekä lisätietoja paikkojen
muista rakenteista tai syyarvioita. Suomen rataverkko on jaettu maantieteellisesti 12
erilliseen kunnossapitoalueeseen (liite 2) ja tietoja kerätään routapaikkarekisteriin
kunnossapitoalueittain. Kerätyt tiedot kootaan vuosittain Roudan hallintaraportiksi, joka
palvelee radan kunnossapidon ja radansuunnittelun ohjausta. Tietojen pohjalta pyritään
tunnistamaan kaikki merkittävimmät routapaikat sekä routimisen syyt. Lisäksi
pidemmän aikavälin tavoitteena on korjata kohteet routimattomiksi. (Ratahallintokeskus
2007, Liikennevirasto 2011a.)
Vuonna 2010 rataverkon routaongelmat olivat poikkeuksellisen suuria, minkä
seurauksena roudan kehittymistä on alettu seurata aktiivisena kautena viikon
tarkkailujaksoissa. Hiljaisempana routa-aikana rekisteriin kerätään tietoja kahden viikon
välein. Kuvassa 4.7 on esitetty routaviikkokello, jossa kuvataan routapaikkarekisterin
toiminta yhden viikon aikana aktiivisena kautena. Viikon kuluessa kerätään ja
käsitellään routatietoa rekisteriin tallentamista varten. Kerättyjen tietojen oikeellisuus
varmistetaan olemalla kunnossapitäjiin säännöllisesti yhteydessä ja toimittamalla
rekisterin tiedot heille perjantaina tarkistettaviksi. Kunnossapitäjät palauttavat
tarkistetut routaluettelot viikonlopun jälkeen maanantaina. Mahdollisten lisätarkistusten
ja uusien tietojen käsittelyn jälkeen rekisterin tiedot toimitetaan radanpitäjälle
routakartan
ja
nopeusrajoitusraportin
muodossa
routaviikon
tiistaina.
Routapaikkailmoitusten perusteella esille tulleet routapaikat analysoidaan lisäksi
geoasiantuntijan toimesta. Asiantuntija käyttää hyväkseen rekisterin tietojen lisäksi
tarpeen mukaan haastatteluja, lisäselvityksiä sekä arkistotietoa. Routakohteiden tietoja
verrataan aikaisempiin vuosiin ja tarvittaessa asiantuntija voi antaa korjaussuosituksia.
(Liikennevirasto 2011a.)
Kuva 4.7. Routaviikkokello (Liikennevirasto 2011a).
42
5 Routaongelmien korjaustoimenpiteet
5.1 Olemassa olevien ratojen routavaurioiden korjaaminen
Tässä luvussa käsitellään olemassa olevien ratojen routavaurioiden korjaamista.
Käsittelyyn sisällytetään perinteisestä routimisesta, in-situ routimisesta sekä roudan
sulamispehmenemisestä aiheutuvien vaurioiden korjaaminen.
Jäälinssien muodostumisesta aiheutuvan routanousun syntyminen edellyttää nollan
alapuolella olevaa lämpötilaa, jäätymisrintamaan saatavilla olevaa vettä ja routivaa maaainesta. Jos yksikin edellytyksistä puuttuu tai toteutuu puutteellisesti, routimista ei
tapahdu tai routiminen rajoittuu. Radan rakennekerrosmateriaalien jäätymistä tai veden
kulkeutumista jäätymisvyöhykkeeseen ei kuitenkaan voida täysin rajoittaa, joten
routimisen estämiseksi ratarakenteiden tulisi olla routimattomista materiaaleista
rakennettuja ja lisäksi routivan pohjamaan routaantuminen pyritään estämään
routamitoituksellisin keinoin. (Nurmikolu 2004.)
Roudasta aiheutuvia ongelmia voidaan vähentää tehokkaimmin kohdistamalla
korjaustoimenpiteet routailmiön syihin. Suomessa olemassa olevien ratojen
routakorjaustoimenpiteinä käytetään yleisimmin rakennekerrosmateriaalien vaihtoa
routimattomiin, kuivatuksen parantamista, routalevyjen lisäämistä ratarakenteeseen ja
tukikerrosmateriaalin seulontaa tai vaihtoa. Raiteen tukemista ja routakiilausta
käytetään pienentämään roudan aiheuttamia muutoksia radan geometriassa.
5.2 Radan kuivatuksen parantaminen
5.2.1 Yleistä radan kuivatuksesta
Kuvassa 5.1 on esitetty rataympäristössä radan rakenteeseen kertyvän veden lähteet.
Kuivatuksen suunnitteluratkaisuilla pyritään estämään veden pääsy radan
rakennekerroksiin, johtamaan vesi pois radan pinnalta, rakenteen sisältä ja radan
lähiympäristöstä sekä torjumaan rakenteen läpi tapahtuva haitallinen veden virtaus, sillä
vesi ratarakenteessa mahdollistaa routimisen ja heikentää rakenteen kantavuutta. Radan
rakenteen kuivatus jaetaan pintakuivatukseen ja rakenteen kuivatukseen.
Pintakuivatuksen tarkoituksena on koota ja johtaa pois radan ja rata-alueen pintavedet.
Rakenteen kuivatuksella puolestaan pyritään johtamaan ratarakenteeseen päässeet vedet
pois. Radan kuivatus järjestetään avo-, suoto- ja salaojin. Lisäksi voidaan käyttää
hyväksi putkiviemäreitä ja rumpuja. Radan kuivatustarpeen suuruuteen vaikuttavat
pääasiassa radan ulkopuolisen maaston pinnanmuodot, valuma-alueen laajuus sekä
sadannan määrä. Kallioleikkausten kuivatuksessa on lisäksi huomioitava kallion
geologiset ominaisuudet sekä kallioleikkauksen korkeus. (InfraRYL 2010.)
43
Kuva 5.1 Ratarakenteeseen päätyvän veden lähteet (muokattu lähteestä Charlier et al.
2009).
Pintakuivatuksessa vedet ohjataan ojiin tai hulevesiviemäreihin sivu-, leikkaus-, niskatai laskuojilla. Erilaisia pintakuivatusojia on esitetty kuvassa 5.2. Sivuojilla kootaan
rata-alueelta ja sen ulkopuolelta tulevat pintavedet ja johdetaan ne sellaisiin
maastokohtiin, että vedet saadaan ohjattua pois rata-alueelta. Sivuojia käytetään
matalilla penkereillä, mutta ei kuitenkaan silloin, jos maa viettää selkeästi radasta
poispäin. Lisäksi sivuojia käytetään korkeilla pengerosuuksilla ympäröivän maaston
viettäessä radalle päin sekä silloin, kun sivuoja on osa esimerkiksi pellon tai metsän
kuivatusjärjestelmää. Leikkausojilla kootaan ja johdetaan pois vedet maa- tai
kallioleikkauksen kohdalla. Niskaojia käytetään leikkausojien yhteydessä estämään
leikkauksen ulkopuolelta tulevien pintavesien virtaaminen leikkausluiskaan. Sivu-,
leikkaus- ja niskaojat ovat yhteydessä laskuojiin, joiden kautta rata-alueelta tulevat
kuivatusvedet ohjataan sellaiseen paikkaan, jossa ne eivät aiheuta haittaa tai vahinkoa
ympäristölle. (InfraRYL 2010.)
Kuva 5.2. Pintakuivatusojatyyppejä (InfraRYL 2010).
Ratarakenteen kuivatus järjestetään avo-, suoto- tai salaojilla. Kuivatuksessa käytetään
ensisijaisesti avo-ojia. Sala- ja suoto-ojia käytetään, jos avo-ojien käyttö ei ole
teknisesti, maisemallisesti tai ympäristöllisesti perusteltua. Salaojitus toteutetaan
salaojaputkilla. Putkissa on rei’itetyt seinämät, joiden kautta ratarakenteessa oleva vesi
44
pääsee putkeen hyvin vettä läpäisevästä ympärystäytteestä sekä mahdollisesti
suodatinkankaasta. Salaojarakenteeseen kuuluu lisäksi tarkastusputkia ja -kaivoja.
Suoto-ojilla nopeutetaan veden virtausta avo- tai salaojiin. Matalissa kallio- ja
maaleikkauksissa rakenteen kuivatus toteutetaan leikkausojilla, suoto-ojilla tai
tarvittaessa salaojilla. (InfraRYL 2010.) Ratarakenteen kuivatus on varmistettava
rakennekerrosten alapintaan asti.
5.2.2 Kuivatuksen parannustoimenpiteet
Roudan muodostumisen edellytyksenä on ratarakenteeseen helposti saatavilla oleva
kapillaarisesti nouseva tai rata-alueen sivuilta tuleva vapaa vesi. Kun ratarakenteen
kuivatus ei toimi suunnitellusti ja rakenne kyllästyy vedellä, tapahtuu myös in-situ
routimista. Varsinkin maa- ja kallioleikkauksissa routimisen syynä on usein
ratarakenteen puutteellinen kuivatus. Suomen rataverkolla kuivatusongelmia esiintyy
myös alavilla osuuksilla varsinkin, jos ratapenger on matala. Lisäksi, jos pohjaveden
pinta on korkealla, kuivatus ei vanhoilla rataosuuksilla välttämättä toimi tehokkaasti.
Radan kuivatusjärjestelyitä tehostamalla voidaan pienentää etenkin radan alusrakenteen
routimista. Kuvassa 5.3 on tyypillinen kuivatusongelmista kärsivä kohde Suomen
rataverkolla. Kuva on otettu Rantadalta kesällä 2012.
Kuva 5.3. Kuivatusongelmista kärsivä kohde Rantaradalla.
Kuvasta 5.3 on nähtävissä, että radan ojat ovat runsaan kasvillisuuden peitossa, eivätkä
todennäköisesti toimi suunnitellusti. Tuuli ja vesi ovat kuljettaneet sivuojiin eloperäistä
ainesta, joka on luonut otollisen kasvualustan kasvillisuudelle. Ojiin on saattanut myös
valua sepeliä radan tukikerroksesta. Kuivatuksen parantamiseksi ojat tulee perata
säännöllisesti kasvillisuudesta ja raidesepelistä ja lisäksi veden virtauksen estävät
tukkeutuneet ratarummut on puhdistettava. Ojien puhdistuksen suunnittelussa on
huomioitava veden luonnollinen virtaussuunta ja tarvittaessa ojia on syvennettävä, jotta
45
vesi saadaan johdettua tehokkaasti pois rata-alueelta. Myös laskuojien toimivuus ja
rumpujen riittävä määrä on varmistettava.
Erityisesti vanhojen kallioleikkausten kuivatus on monin paikoin osoittautunut
puutteelliseksi, minkä vuoksi kallioleikkauksen ulkopuolelta valuvat pintavedet sekä
leikkauksen kallioraoista tuleva vesi voivat pakkasilla jäätyä kallio-ojiin sekä
kallioseinämiin aiheuttaen in-situ routimista paannejääongelmien muodossa. Kuva 5.4
on myös Rantaradalta ja siitä havaitaan, että lämpimänä kesäpäivänäkin
kallioleikkauksen pinta on kostea. Vanhojen kallioleikkausten pohjat ovat myös usein
epätasaisia ja pohjalla on painanteita, joihin vesi pääsee kerääntymään. Kallion pinnalle
ja ojiin kertyvän veden sekä routivaksi muuttuneen tukikerrosmateriaalin yhteisvaikutus
saattaa johtaa radan päällysrakenteen routimiseen. Kallioleikkauksen kuivatusta voidaan
parantaa puhdistamalla olemassa olevat leikkausojat ja mikäli kuivatussyvyys ei ole
riittävä, louhimalla ojia syvemmiksi. Lisäksi olemassa olevaan ojaan tai louhimalla
tehtyyn kanaaliin voidaan lisätä salaoja. Epätasaiselle kallioleikkauksen pohjalle
muodostuvat vesitaskut voidaan poistaa betonoimalla leikkauksen pohja.
Kuva 5.4. Kallioleikkauksen kallioraoista valuvat vesimäärät voivat olla merkittävän
suuria.
Kun sateen tai sulamisen intensiteetti ylittää maan imeyntäkyvyn, kaikki vesi ei ehdi
imeytyä maahan ja kaltevassa maastossa vesi alkaa virrata pintavaluntana.
Rataleikkauksissa kasvillisuutta voitaisiin käyttää pienentämään radalle ohjautuvaa
valuntaa, sillä kasvipeite estää maanpintaa pitkin valuvan veden nopean virtauksen ja
hidastaa näin pintavalunnan kerääntymistä. Osa sadantana tulevasta vedestä myös
46
pidättäytyy kasvien pinnoille ja haihtuu interseptiona. Lisäksi kasvit suojaavat
maanpintaa kovettumiselta ja maaperän imeyntäkyky on kuohkeassa juurivyöhykkeessä
huomattavasti suurempi kuin kasvittomilla alueilla, jolloin pintavalunta pienenee
entisestään. (Huttula 2013.)
5.3 Tukikerroksen seulonta ja vaihtaminen
Tukikerroksen seulonta on radan päällysrakenteen perusparannustoimenpide, jossa
tukikerros puhdistetaan siten, ettei raidetta jouduta purkamaan. Tukikerrosmateriaalina
yleisesti käytetty raidesepeli jauhautuu hienorakeiseksi liikenteen kuormituksen ja radan
kunnossapitotoimenpiteiden vuoksi. Sepelin murskautuessa pienempirakeiseksi
tukikerroksen kantavuus heikkenee ja lisäksi hienoainesta sisältävä raidesepeli routii
puhdasta
sepeliä
helpommin.
Sepelinpuhdistukseen
ryhdytään,
kun
tukikerrosmateriaalin ominaisuudet ovat heikentyneet sellaiselle tasolle, ettei
peruskunnossapidolla saada pidettyä raidetta halutussa asemassa. Sepelinseulonnassa
tukikerroksesta poistetaan hienontunut kiviaines ja laatuvaatimukset täyttävät
karkearakeiset maapartikkelit palautetaan takaisin rataan. Puhdistamisen yhteydessä
tukikerrosmateriaali vähenee, joten poistetun kiviaineksen tilalle lisätään uutta
karkearakeista raidesepeliä. (Nurmikolu ja Kolisoja 2010.)
Tukikerroksen puhdistaminen suoritetaan sepelinpuhdistuskoneella. Koneen alla
liikkuvan kaivuketjun terät irrottavat vanhan tukikerrosmateriaalin pölkkyjen alta ja
siirtävät
materiaalin
kuljetinhihnalle,
jota
pitkin
kiviaines
kuljetetaan
seulontalaitteeseen. Seulottu raidesepeli palautetaan rataan ja tukikerrosmateriaaliksi
kelpaamaton kiviaines siirretään radan sivuun tai kuljetetaan pois raiteella liikkuvalla
kuljetusvaunulla. Poistetun hylkysepelin tilalle lisätään uutta karkearakeista kiviainesta
ja valmis sepelipatja tiivistetään raiteella liikkuvalla tiivistyskoneella eli
stabilisaattorilla. Seulonnan yhteydessä ratarakenteeseen voidaan asentaa
routaeristelevyt. Valmiin tukikerroksen materiaali ei saa sisältää epäpuhtauksia, sallittua
raekokoa isompia kiviä tai muita kiviaineslajikkeita. (Ratahallintokeskus 2004a.)
Tukikerros vaihdetaan kaivamalla, jos seulonta ei ole taloudellisesti kannattavaa tai sitä
ei voida suorittaa esimerkiksi tilanpuutteen vuoksi. Kaivamalla suoritettava
tukikerroksen vaihto voidaan joutua tekemään muun muassa vaihteiden, tasoristeysten
ja siltojen päiden kohdalla. Toimenpiteessä vanha tukikerros poistetaan
kaivinkoneeseen asennettavalla massanvaihtokauhalla ja tilalle tuodaan uutta
tukikerrosmateriaalia. (Ratahallintokeskus 2004a.)
5.4 Routaeristelevyt
Routivan ratarakenteen ensisijaisena korjaustoimenpiteenä käytetään routivien
materiaalien vaihtoa routimattomiin. Routasuojaus toteutetaan toissijaisesti
routalevyillä. Routalevyillä saadaan lisättyä rakenteen lämmöneristävyyttä ja estettyä tai
vähennettyä radan rakenteen alla olevien maakerrosten routimista. Routalevyt voidaan
asentaa olemassa olevan eristyskerroksen pintaan tavallisesti kaivamalla ratarakennetta
47
eristyskerroksen yläosaan asti. (Ratahallintokeskus 2008, InfraRYL 2010.) Levyjen
asentaminen kaivinkoneella on kuitenkin hyvin hidasta, eikä etenkään
runsasliikenteisillä radoilla ole mahdollisuutta pitkiin työrakoihin. Levyt lisätäänkin
ratarakenteeseen tavallisimmin tukikerroksen seulonnan yhteydessä, jolloin levy
asennetaan suoraan tukikerroksen alapuolelle (kuva 5.4). Eristelevyn alla olevan
routimattoman alusrakennekerroksen vähimmäispaksuus on 300 mm, kun alusrakenne
tehdään luonnonmateriaaleista ja 450 mm, kun alusrakenteessa käytetään murskattua
kiviainesta. Routalevyjen käyttöikävaatimus on 40 vuotta.
Kuva 5.4. Tukikerroksen seulonnan yhteydessä asennettavan routalevyn sijainti
ratarakenteessa.
Routalevyjen mitoituksessa noudatetaan Suomessa Ratateknisiä ohjeita (RATO).
Käytettävät levyvahvuudet ovat 40 mm, 60 mm, 80 mm, 100 mm ja 120 mm. Levyn
paksuuden valintaan vaikuttavat radan alusrakenneluokka, mitoituspakkasmäärä sekä
vuotuinen ilman keskilämpötila. Ratarakenteen maa-ainekset puristuvat levyn
pintaosiin, mistä seuraa levyjen lujuuden alenemista ja lämmöneristyskyvyn
huononemista. Maamateriaalien levyjen toimintaa heikentävä vaikutus on otettava
huomioon levyn paksuuden mitoituksessa sekä ratatyömaalla käytettävien työkoneiden
ja -menetelmien valinnassa. (Ratahallintokeskus 2008.)
Kun eristelevyt lisätään rakenteeseen sepelinpuhdistuksen yhteydessä, levyjen
asentamista varten sepelinpuhdistuskoneen seulaan on vaihdettava leveämpi puomi.
Lisäksi koneeseen liitetään vaunut, joissa eristelevyt kuljetetaan asennuspaikalle. Levyt
tulevat vaunusta siirtohihnaa pitkin tasatulle alustalle ja ne asennetaan paikoilleen käsin.
Levyjen mitoituksessa on huomioitava, ettei eristyslevyjä asennettaessa levyjen ylä- tai
alapuolelle voida tehdä suojahiekkakerroksia. Jos suojahiekkakerrokset puuttuvat, levyn
paksuuteen lisätään 10 mm. Levyjen säilytys, käsittely ja asentaminen on tehtävä
työmaalla oikeaoppisesti, sillä levyjen varomaton käsittely huonontaa levyjen
lämmöneristyskykyä. Eristyskyky heikentyy lisäksi rakenteeseen asennetun levyn
kastuessa, sillä levyjen ilmahuokosiin pääsevä vesi lisää solumuovin
lämmönjohtavuutta. (Ratahallintokeskus 1998, Hölttä 2011.)
48
Routalevyjen materiaalina käytetään suulakepuristettua polystyreenimuovia (XPS) tai
paisutettua polystyreenimuovia (EPS). Varsinaisessa ratarakenteessa routaeristelevynä
on käytettävä InfraRYL:n mukaisesti suulakepuristettuja XPS-routalevyjä, sillä on
huomattu, että aikaisemmin käytössä olleet EPS-levyt ovat muun muassa vettyneet ja
rikkoutuneet käytössä. Erityistapauksissa, kuten ratojen laiturirakenteiden
routasuojauksessa on sallittua käyttää RHK:n hyväksynnän saaneita EPS-routalevyjä.
Solumuovi soveltuu erityisen hyvin routaeristemateriaaliksi, sillä se on rakenteeltaan
umpinainen sekä tasalaatuinen ja puhdas ilma toimii lämmöneristeenä suljetuissa
ilmahuokosissa. Lisäksi EPS- ja XPS-tuotteet eivät johda vettä kapillaarisesti ja tiiviin
solurakenteensa vuoksi ne kestävät kosteutta lahoamatta tai homehtumatta.
Solumuovilla on myös hyvä maaperässä normaalisti olevien suolojen-, happojen- ja
emästensietokyky. Suuren puristuslujuutensa vuoksi solumuovi kestää myös hyvin
pitkäaikaista raskasta liikennekuormitusta. (Jääskeläinen 2009, Hölttä 2011.)
Ajan kuluessa on huomattu, etteivät kaikki rataverkolle asennetut routalevyt ole
täyttäneet niille asetettuja vaatimuksia. Levyissä on havaittu sekä valmistus- että
laatuvirheitä, eivätkä heikkolaatuiset levyt ole kestäneet nykyisen akselikuorman
aiheuttamaa puristusta. Liikennevirasto on lisäksi asettanut tavoitteeksi korottaa
liikkuvan kaluston suurinta sallittua akselipainoa 250kN:iin kaikilla tärkeimmillä
rataosilla vuoteen 2020 mennessä. Akselipainon korotus lisää ratarakenteeseen
kohdistuvaa rasitusta ja nostaa siten entisestään routalevyjen vaurioitumisriskiä. On
tutkittu, että akselikuorman korottaminen voi aiheuttaa levyn pinnan rikkoutumisen jopa
vuodessa. Riskiä voidaan kuitenkin pienentää nostamalla eristelevyjen
puristuslujuusvaatimusta nykyisestä 450kPa:ista 500kPa:iin. (Koskela 2011.)
5.5 Massanvaihto
Geoteknisessä termistössä massanvaihdolla tarkoitetaan pohjanvahvistusmenetelmää,
jossa huonosti kantava pohjamaa korvataan kantavalla maamateriaalilla. Tässä työssä
massanvaihdolla tarkoitetaan radan alusrakenteen tai pohjamaan routivien materiaalien
vaihtamista routimattomiin roudattomaan syvyyteen asti tai routalevyn alle tehtävää
massanvaihtoa. Rataympäristössä etenkin syvät pohjamaan massanvaihdot ovat
hankalia ja hitaita toteuttaa. Rataympäristössä myös työrakojen pituus asettaa
massanvaihdon suorittamiselle haasteita.
5.6 Routakiilaus
Routakiilausta käytetään routimisen aiheuttamien raiteen pituussuuntaisten
epätasaisuuksien ja kallistusvirheiden tilapäiseen korjaamiseen keväisin. Kiilauksessa
raide kiilataan sellaiseen asemaan, että radalla voidaan liikennöidä rataosuuden
normaaleilla nopeusrajoituksilla. Puuratapölkkyraide kiilataan vanerista valmistetuilla
kiiloilla. Betoniratapölkkyraiteen kiilaus tehdään pölkyn kiinnitystavasta riippuen joko
käyttämällä kiinnitysjousia ja kumisia välilevyjä tai käyttämällä erityisiä
routakiilausvälilevyjä. Kiilausta käytetään, kun raidetta ei voida korjata tavanomaisilla
nosto- ja tukemistoimenpiteillä. Kiilaus voidaan korvata alentamalla suurinta sallittua
49
nopeutta tilapäisesti, jos kiilaustarpeen muuttuminen on niin nopeaa, ettei sitä voida
kohtuudella hallita. Roudan sulaessa kiilauspaksuutta pienennetään vähitellen.
(Ratahallintokeskus 2000, Ratahallintokeskus 2002.)
5.7 Raiteen tuenta
Routanousujen aiheuttamia epätasaisuuksia raidegeometriassa voidaan tasoittaa raiteen
tuennalla. Toimenpiteessä raidetta siirretään sivusuunnassa ja nostetaan suunnitellulle
tasolle, minkä jälkeen tukemiskoneen hakuilla työnnetään raidesepeliä pölkyn alle
jääneeseen tyhjään tilaan. Tukikerrossepelin tiivistäminen nostaa raiteen oikeaan
asemaan, mutta useita kertoja toistuessaan toimenpide hienontaa tukikerrosmateriaalia,
joten tarpeetonta tukemista on vältettävä. (Lim 2004.)
5.8 Korjaustoimenpiteen valinta
Kunnossapidon
suunnittelua
varten,
oikeiden
perusparannustoimenpiteiden
valitsemiseksi ja siten kustannussäästöjen saavuttamiseksi on tunnistettava, aiheutuuko
routiminen ongelmista radan päällysrakenteessa, alusrakenteessa vai pohjamaassa.
Erityisesti on huomioitava, ettei routavaurioiden syynä aina ole roudan tunkeutuminen
routivaan pohjamaahan, jos alus- tai päällysrakennemateriaali on routimisherkkää.
Routimisen mekanismi on monimutkainen ja routavauriot syntyvät monesti useiden
tekijöiden yhteisvaikutuksesta. Oikeiden routimiseen johtaneiden syiden selvittäminen
on kuitenkin ensisijaisen tärkeää, sillä väärin kohdennetut, väliaikaiset
korjaustoimenpiteet parantavat rataverkon tilaa vain hetkellisesti ja routaongelman
lopullinen ratkaiseminen siirtyy tulevaisuuteen.
Roudan tunkeutuminen routivaan pohjamaahan pyritään estämään riittävän paksuisilla
routimattomasta materiaalista rakennetuilla alusrakennekerroksilla. Jos pohjamaa
kuitenkin routii, ongelman korjaamiseksi voidaan routimattomien kerrosten paksuutta
kasvattaa alkuperäisestä. Alusrakenteen paksuntaminen vaatii kuitenkin koko
ratapenkereen purkua ja pitkää liikennekatkoa, joten toimenpide on hyvin kallis. Paksun
alusrakennekerroksen materiaalikustannukset nousevat myös korkeiksi. Lisäksi
alusrakennekerrosten paksuutta lisäämällä saatetaan päätyä tarpeettoman suureen
kokonaisrakennekerrosvahvuuteen ja radan korkeusviivan muutokset edellyttävät usein
muutoksia sähköistetyn radan rakenteissa. Olemassa olevilla radoilla onkin
tavanomaista korvata osa alusrakennekerroksesta routaeristelevyllä. Levypaksuus
valitaan Ratateknisten ohjeiden osassa 3 ”Radan rakenne” esitettyjen
mitoituskäyrästöjen perusteella.
Pohjamaan maa-aines on vaihdettava routimattomaan, jos ratarakenteessa esiintyy
huomattavia routanousuja, joita ei saada muilla korjaustoimenpiteillä korjattua.
Massanvaihtoa on käytettävä myös, jos routimista tapahtuu välittömästi tukikerroksen
alapuolella alusrakenteessa, sillä levytyksellä ei voida estää rakenteen routimista.
Eristelevyllä ei ole juurikaan omaa lämpökapasiteettia, joten routaraja tunkeutuu
väistämättä ainakin hieman levyn alapuoliseen ratarakenteeseen. Massanvaihto voidaan
50
yhdistää routalevytykseen siten, että levyn alle tehdään tarvittaessa osittainen
massanvaihto. Erityisesti syvät massanvaihdot ovat rataympäristössä hankalia ja työläitä
toteuttaa, sillä toimenpide edellyttää paljon valmistelevia ja viimeisteleviä työvaiheita,
kuten kiskojen ja ratapölkkyjen siirtoa. Massanvaihdon suorittaminen edellyttää myös
pitkiä työrakoja, joita rataympäristössä on hankala järjestää. Etenkin laajamittaisesti
käytettynä massanvaihto onkin hyvin kallis korjaustoimenpide.
Jos routimista tapahtuu alusrakennekerroksessa, voidaan kuivatusta parantamalla
ehkäistä routavaurioiden syntyä, muttei kuitenkaan kokonaan estää niiden esiintymistä,
mikäli rakennemateriaali jäätyy. Kuivatusta parantamalla voidaan vähentää
routaongelmia erityisesti vähäliikenteisillä radoilla, joilla raiteen tasaisuusvaatimukset
ovat pääratoja pienemmät. Pääradoilla joudutaan usein vaihtamaan rakennemateriaali
routimattomaan. Routalevytyksellä ei voida merkittävästi parantaa tilannetta.
Kun pohjamaa ei roudi ja routaongelmat aiheutuvat päällysrakenteesta, tukikerros on
vaihdettava tai seulottava. Jos ratarakenteeseen on asennettava routalevy, asennus on
kustannustehokkainta tehdä tukikerroksen kunnostamisen yhteydessä. Tukemisella
voidaan tilapäisesti parantaa raiteen asemaa, jos tukikerroksessa esiintyy haitallisen
suuria routanousuja.
51
6 Roudan syvyyden mallinnus laskentaohjelmalla
6.1 Laskentaohjelman teoria
6.1.1 Yleistä
Maan lämpöteknisen analyysin numeeriseen ratkaisemiseen on kehitetty useita
elementtimenetelmään (Finite Element Method, FEM) perustuvia tietokoneohjelmia,
kuten COMSOL Multiphysics, SoilVisionin SVHeat ja ADINA Thermal. Tässä työssä
roudan syvyyden mallinnukseen käytettiin GeoStudio 2007 –ohjelmiston ohjelmaa
TEMP/W. TEMP/W:llä voidaan mallintaa kaksiulotteisesti esimerkiksi ilman
lämpötilamuutosten tai rakentamistoimenpiteiden vaikutuksia maaperän lämpöoloihin.
Ohjelma simuloi lämmön siirtymistä huokoisissa väliaineissa, joten se soveltuu hyvin
roudan syvyyden mallintamiseen muuttuvissa olosuhteissa. Lämpöteknisen mallin
luominen TEMP/W:llä perustuu käyttäjän antamiin mallinnettavien maa-ainesten
materiaaliparametreihin sekä ilman ja maaperän lämpötilatietoihin.
6.1.2 Numeerinen mallinnus geotekniikassa
Lontoon Imperial Collegen maamekaniikan professori John Burland esitti vuonna 1987
ajatuksensa geoteknisen insinööritaidon kolmesta pääkomponentista. Esityksessä
painottuu numeerisen mallintamisen merkitys geotekniikassa. Burland havainnollistaa
komponentteja kuvassa 6.1 esitetyn kolmion muodossa.
Kuva 6.1. Burlandin kolmio (muokattu lähteestä Burland 1996).
Burlandin kolmiossa esitetty maaperän käyttäytymisen komponentti koostuu
laboratoriokokeista, in-situ kokeista sekä kenttätutkimuksista. Kokeiden ja tutkimusten
avulla kootaan tarvittavat lähtötiedot suunnittelun ja mallintamisen pohjaksi.
Maaperäprofiililla tarkoitetaan kohdekohtaista tietoa vallitsevista maaperäolosuhteista.
Mallintaminen voi olla käsitteellistä, analyyttistä tai kokeellista. Nykyajan kehittyneet
52
laskentaohjelmat mahdollistavat hyvinkin numeeristen mallien muodostamisen.
Kolmion kaikki komponentit ovat keskenään vuorovaikutteisessa suhteessa ja niitä
kaikkia yhdistää kokemukseen perustuva tieto. Burlandin kolmio korostaa
mallintamisen tärkeyttä geoteknisten ongelmien ratkaisemisessa. Samoin on tärkeää
ymmärtää kokemuksen kautta maaperän geomekaanista toimintaa ja kerätä riittävä
määrä lähtötietoja mallien muodostamisen pohjaksi. (Burland 1996.)
Rakenteiden käyttäytymisen analysointiin käytettävän elementtimenetelmän kehitys
alkoi 1950-luvulla lentokoneteollisuuden piirissä. Kun tietokoneet alkoivat kehittyä
1960-luvulla, menetelmää alettiin soveltaa laajemmin apuna rakenteiden
lujuusanalyysissä. Elementtimenetelmän matemaattisten perusteiden parempi ymmärrys
on laajentanut merkittävästi menetelmän sovelluskohteita ja nykyisin sitä voidaan
käyttää rakenteiden mallinnuksen lisäksi myös esimerkiksi lämmön siirtymisen ja
värähtelyiden vaikutusten arviointiin. Elementtimenetelmässä luodaan matemaattisia
malleja käytännön ongelmista. Menetelmällä voidaan ratkaista numeerisesti
osittaisdifferentiaaliyhtälöitä, joiden ratkaiseminen analyyttisesti on hankalaa tai
mahdotonta. (Gussman et al. 2002.)
Geometrialtaan
tai
toimintatavaltaan
monimutkaiset
ongelmat
jaetaan
elementtimenetelmässä pienempiin osiin eli elementteihin, joita on äärellinen määrä.
Kuvassa 6.2 on esitetty kaksi- ja kolmiulotteisen elementtianalyysin elementtityyppejä.
Yksittäinen elementti koostuu solmupisteistä ja elementin sivuista. Jokaisen elementin
rajapinnalta valitaan tietty määrä solmupisteitä, joilla elementti liittyy toisiin
elementteihin. Elementtien yhdessä muodostamaa kokonaisuutta kutsutaan
elementtiverkoksi.
Laskennan
tarkkuutta
voidaan
parantaa
tihentämällä
elementtiverkkoa, jolloin verkko sisältää enemmän solmupisteitä. Laskentaohjelma
ratkaisee elementtien väliset vuorovaikutussuhteet ja lopulta saadaan alkuperäisen
ongelman approksimoitu eli likimääräinen ratkaisu. FEM-analyysin kolme päävaihetta
ovat mallin rakentaminen, laskennan suorittaminen sekä tulosten analysointi ja
visualisointi. (Gussman et al. 2002.)
Kuva 6.2. Elementtimenetelmän elementtityyppejä (muokattu lähteestä Gussmann et al.
2002).
6.1.3 TEMP/W:n lämpötekniset yhtälöt
Veden ja jään kyllästämässä routimattomassa maassa lämpö siirtyy pääasiassa
johtumalla. Ratarakenteessa myös konvektiolla voi olla merkitystä lämmön siirtymisen
53
muotona, jos rakennemateriaali on hyvin karkearakeista, kuten sepeliä tai louhetta.
Tämän työn laskentatapauksissa kaiken lämmön oletetaan siirtyvän ratarakenteessa
johtumalla. Lämmönjohtumista kuvaava perusyhtälö on Fouriér’n yhtälö (6-1).
Kaavoissa esitetään lämpötilat kelvineinä. (Saarelainen 2001b, GEO-SLOPE
International Ltd. 2010.)
q=
(6-1)
jossa
q on lämpövuo [W/m²]
on lämmönjohtavuus [W/mK]
on lämpötilan alenema x-suuntaan [K/m]
Yhtälön mukaisesti maassa johtumalla kulkevan lämmön lämpövuo riippuu maan
lämmönjohtavuudesta sekä lämpötilagradientista. Negatiivinen etumerkki osoittaa, että
lämmön virtaus alenevan gradientin
suuntaan on positiivinen eli lämpö siirtyy aina
korkeammasta lämpötilasta matalampaan. (GEO-SLOPE International Ltd. 2010.)
Jos lämpövuo tai lämpötila muuttuu ajan suhteen missä tahansa systeemin pisteessä,
tilannetta kutsutaan transientiksi. Yleinen lämmönjohtumisen differentiaaliyhtälö
lämpövuolle olosuhteissa, jotka muuttuvat ajan funktiona, on esitetty alla (kaava 6-2).
Yhtälön vasemman puolen ensimmäinen termi edustaa johtumalla siirtyvää lämpötehoa
tilavuusyksikköä kohti monidimensioisessa tapauksessa ja toinen termi
on
tilavuusyksikköä kohti kehittyvä lämpöteho. Yhtälön oikean puolen termi on
ominaislämpöön varastoituva lämpöteho tilavuusyksikköä kohti. (GEO-SLOPE International Ltd. 2010.)
k
jossa
+
k
+
k
+q =C
T on lämpötila [K]
k on lämmönjohtavuuskerroin x-suuntaan [W/mK]
k on lämmönjohtavuuskerroin y-suuntaan [W/mK]
k on lämmönjohtavuuskerroin z-suuntaan [W/mK]
q on lämmön kehittyminen [W/m³]
on lämpötilan alenema x-suuntaan [K/m]
on lämpötilan alenema y-suuntaan [K/m]
on lämpötilan alenema z-suuntaan [K/m]
on lämpökapasiteetti [J/m³K]
t on aika [s]
(6-2)
54
Stationäärisessä, ajasta riippumattomassa tilassa lämmönjohtumisen differentiaaliyhtälö
saa muodon:
k
+
k
+
k
+q =0
(6-3)
Tarkempi kuvaus TEMP/W-ohjelman laskelmien perustana olevista teorioista löytyy
ohjelman käyttöohjeesta.
6.2 Roudan syvyyden laskenta TEMP/W:llä
6.2.1 Yleistä
Ratateknisten ohjeiden (RATO) osan 3 ”Radan rakenne” mukaisesti radan
rakennekerrosten kokonaispaksuus mitoitetaan siten, ettei routa pääse tunkeutumaan
routivaan maahan mitoitustalvea vastaavissa olosuhteissa. Lähtökohtana on, että radan
routaantuvat rakennekerrosmateriaalit ovat routimattomia. Routimattomissa maalajeissa
saattaa esiintyä in-situ routanousua huokosveden jäätyessä, mutta jäälinssien
muodostumista ei sallita radan alus- ja päällysrakenteessa. Jos pohjamaa on
routimatonta, rakennekerrosten paksuutta voidaan pienentää ja sallia roudan
tunkeutuminen myös pohjamaahan. Routaeristetyssä rakenteessa routalevyn alapuolella
olevan routimattoman alusrakennekerroksen vähimmäispaksuus on 300 mm, kun
käytetään luonnonmateriaaleja ja 450 mm käytettäessä murskattua kiviainesta.
(Ratahallintokeskus 2008.)
Tämän työn laskentatapauksissa tutkittiin tilannetta, jossa yksiraiteisen radan
rakenteeseen asennettiin routaeristelevy. Eristelevy sijoitettiin mallinnustapauksissa
kahteen eri syvyyteen, jotta voitiin selvittää, vaikuttiko levyn sijainti ratarakenteessa
roudan tunkeutumiseen. Tarkasteluun valittiin kaksi rakennekerrosmateriaaleiltaan ja
pohjamaaltaan samanlaista ratapengertä. Toisen kohteista oletettiin sijaitsevan EteläSuomessa Kirkkonummella ja toisen Pohjois-Suomessa Oulussa, sillä mallinnuksen
yhtenä päämääränä oli selvittää, miten Etelä- ja Pohjois-Suomen pakkasmääräerot
vaikuttivat roudan tunkeutumissyvyyteen ja siten tarvittavaan eristelevypaksuuteen.
Laskennalla selvitettiin myös, miten syvälle eristelevyn alapinnasta routa tunkeutui
erilaisissa laskentatapauksissa. Roudan tunkeuman perusteella määritettiin tarvittavan
massanvaihdon minimisyvyys, mikäli radan alusrakenne olisi ollut routivaa materiaalia.
Kirkkonummella sijaitsevan radan pengerleveydeksi oletettiin 6,0 metriä ja
pengerkorkeudeksi 1,20 metriä. Oulussa sijaitsevan radan pengerleveydeksi oletettiin
6,0 metriä ja pengerkorkeudeksi 1,65 metriä. Luvussa 2 esitetyn taulukon 2.1 ja liitteen
1 perusteella voidaan todeta molempien ratarakenteiden olleen routivia. Mallinnuksen
lähtöoletuksena oli, että ennen korjaustoimenpiteitä molempien kohteiden tukikerros oli
sepelikiviainesta ja pohjamaa routivaa hiekkamoreenia. Alusrakennemateriaalin
oletettiin olevan hiekkaa. Mallinnuksessa varioitiin routalevyn paksuutta eri arvoilla.
Rataympäristössä routalevyyn kohdistuvat rasitukset aiheuttavat levyyn mekaanisia
55
vaurioita. Syntyviä vaurioita kompensoitiin laskennassa vähentämällä
nimellispaksuudesta 10 mm, kuten on tehty RATO 3:n routalevymitoituksessa.
levyn
Jokaisessa laskentatapauksessa etsittiin ajankohta, jolloin routa oli syvimmillään
ratarakenteessa ja mahdollisesti myös pohjamaassa mitoituspakkasmäärien mukaisina
talvina. Lisäksi tutkittiin, miten roudan syvyydet vaihtelivat erilaisissa
laskentatapauksissa. Routarajana laskennassa pidettiin kriittisen isotermin (0 °C)
sijaintia ja roudan syvyydet laskettiin raiteen keskilinjasta. Lumen eristävää vaikutusta
ei huomioitu mallinnuksessa.
6.2.2 Laskentatapaus 1 - Routalevy asennetaan tukikerroksen alle
Ensimmäisessä laskentatapauksessa routaeristelevy asennettiin tukikerroksen vaihdon
yhteydessä suoraan tukikerroksen alapuolelle siten, että routalevyn yläpinta tuli
syvyydelle Kv - 0,55 m (kuvat 6.3 ja 6.4). Kv:llä tarkoitetaan radan korkeusviivaa.
Mallinnuksessa tutkittiin, miten eri paksuisten eristelevyjen (40 mm, 60 mm, 80 mm,
100 mm tai 120 mm) asentaminen tukikerroksen alapuolelle vaikutti roudan
tunkeutumiseen ja selvitettiin, miten syvälle eristelevyn alapinnasta routa tunkeutui.
Laskennassa käytettiin mitoittavina pakkasmäärinä pakkasmääriä F10, F20 ja F50.
Laskennan tuloksia verrattiin RATO 3:n mukaiseen routalevymitoitukseen.
Kuva 6.3. Laskentatapauksen 1 Kirkkonummen kohteen geometria.
Kuva 6.4. Laskentatapauksen 1 Oulun kohteen geometria.
56
6.2.3 Laskentatapaus 2 - Routalevy asennetaan eristyskerroksen
yläpintaan
Toisessa laskentatapauksessa routaeristelevy asennettiin kaivamalla syvyyteen Kv 0,85 m siten, että se tuli eristyskerroksen yläpintaan (kuvat 6.5 ja 6.6). Mallinnuksessa
tutkittiin, miten eri paksuisten eristelevyjen (40 mm, 80 mm tai 120 mm) asentaminen
syvyyteen Kv - 0,85 m vaikutti roudan tunkeutumiseen. Laskennassa käytettiin
mitoittavana pakkasmääränä pakkasmäärää F50. Laskentatuloksia verrattiin
laskentatapauksessa 1 samoilla eristelevypaksuuksilla ja samalla mitoittavalla
pakkasmäärällä saatuihin tuloksiin ja selvitettiin, oliko eristelevyn sijainnilla vaikutusta
roudan syvyyteen.
Kuva 6.5. Laskentatapauksen 2 Kirkkonummen geometria.
Kuva 6.6. Laskentatapauksen 2 Oulun geometria.
6.3 Mallinnuksessa käytetyt parametrit ja laskennan kulku
6.3.1 Laskentaparametrien määritys
Mallinnuksessa maan lämpöteknisen analyysin lähtötietoina tarvittiin:
-
radan rakennemateriaalien, pohjamaan ja XPS-levyn lämmönjohtavuudet ja
lämpökapasiteetit sulana ja jäätyneenä
rakennemateriaalien, pohjamaan ja XPS-levyn tilavuusvesipitoisuudet
57
-
laskennan alkuajankohdan lämpötila maanpinnalla ja pohjamaassa kolmen metrin
syvyydellä maanpinnasta
mitoittavan pakkasmäärän mukaiset ulkoilman pakkaskauden kuukausikohtaiset
keskilämpötilat.
Laskennassa käytetyt materiaaliparametrit on esitetty taulukossa 6.1. Mallinnuskohteen
pohjamaan oletettiin olevan routivaa hiekkamoreenia ja tukikerroksen raidesepeliä.
Radan alusrakennekerrosten osalta mallinnusta yksinkertaistettiin siten, että ennen
korjaustoimenpiteitä radan väli- ja eristyskerroksen oletettiin olevan samaa
maamateriaalia, sillä kerrosten materiaalien lämpöparametrien välillä ei ole merkittäviä
eroja. Alusrakennemateriaalin oletettiin olevan hiekkaa. Laskentatapauksessa 2
routalevy asennettiin eristyskerroksen pintaan ja toimenpiteen yhteydessä välikerroksen
materiaali vaihdettiin mallinnuksessa hiekasta soraan.
Taulukko 6.1. Laskennassa käytetyt materiaaliparametrit.
Lämmön- Lämmönjohtavuus johtavuus
sulana
jäätyneenä
Materiaali
[W/m °C]
Tukikerrossepeli
1,50
XPS-routalevy
0,05
Välikerros (Sr)
1,50
Alusrakenne (Hk)
1,50
Pohjamaa (HkMr)
1,60
[W/m °C]
1,10
0,05
1,60
1,70
1,80
Tilavuuslämpökapasiteetti
sulana
[kJ/m³ °C]
1339,78
40,00
1829,63
1858,94
2227,38
Tilavuuslämpökapasiteetti
jäätyneenä
[kJ/m³ °C]
1272,78
40,00
1630,76
1626,57
1829,63
Tilavuusvesipitoisuus
w
[til-%]
3,20
10,00
9,50
11,11
19,00
Kirjallisuudessa on esitetty runsaasti lämpöparametrien arvoja sepelikiviainekselle,
hiekalle, soralle ja hiekkamoreenille. Parametrien suuruudessa on jonkun verran eroja ja
esimerkiksi lämmönjohtavuuden arvoon vaikuttaa suuresti maamateriaalin
vesipitoisuus, kuten voidaan huomata taulukosta 6.2. Vesipitoisuuden kasvaessa myös
lämmönjohtavuus kasvaa. Lisäksi eri laskentakaavojen antamat tulokset poikkeavat
hieman toisistaan. Kohdekohtaista suunnittelua varten varmimmat lämpöparametrien
arvot saadaan laboratoriomittauksilla. Mallinnuksessa käytettiin julkaisussa
Ratarakenteen routasuojaus (Kolisoja ja Nurmikolu 2002) esitettyjä raidesepelin, hiekan
ja soran keskimääräisiä lämpöparametrien arvoja. Hiekkamoreenille laskettiin
lämmönjohtavuus ja lämpökapasiteetti luvussa 3 esitetyillä kaavoilla. Moreenin
kuivairtotiheydeksi oletettiin 1900 kg/m³ ja vesipitoisuudeksi 10 paino-%.
58
Taulukko 6.2. Kuivairtotiheyden ja vesipitoisuuden vaikutus soraisen hiekan
lämmönjohtavuuden arvoihin Kerstenin mukaan (muokattu lähteestä Saare ja Wenner
1957).
Kuivairtotiheys Vesipitoisuus Lämmönjohtavuus
w
[kg/m³]
[paino-%]
[W/mK]
1,72
1,20
0,50
1,72
2,50
1,05
1,72
5,90
1,35
1,81
1,30
0,69
1,81
2,60
1,24
1,81
6,20
1,75
1,93
0,20
0,45
1,93
2,60
1,54
1,93
10,50
2,19
Maamateriaalien tilavuusvesipitoisuudet laskettiin kaavalla (6-4).
w =
jossa
(6-4)
w on vesipitoisuus tilavuusprosentteina [til-%]
w on vesipitoisuus painoprosentteina [paino-%]
on maan kuivairtotiheys [kg/m³]
on veden tiheys sulassa tilassa, 1000 kg/m³
XPS-routaeristelevyjen mitoituslämmönjohtavuudet vaihtelevat normaaliolosuhteissa
välillä 0,034–0,037 W/Km (ThermiSol 2013). Mallinnuksessa eristeen
mitoituslämmönjohtavuutena käytettiin julkaisussa Ratarakenteen routasuojaus
(Kolisoja ja Nurmikolu 2002) esitettyä arvoa 0,050 W/Km. Tilavuusvesipitoisuutena
käytettiin arvoa 10 til-%.
Mallinnuksen lähtötietoina tarvittiin myös mitoitustalvien mukaiset talvikuukausien
keskilämpötilat, maanpinnan lämpötila laskennan alkuhetkellä sekä lämpötila kolmen
metrin syvyydellä maanpinnasta. TEMP/W:ssä lämpötilat voidaan asettaa fahrenheit- tai
celsiusasteina. Laskennassa käytettiin SI-järjestelmän mukaisia celsiusasteita.
Laskennassa oletettiin maanpinnan lämpötilan vastaavan laskentakohteen ilman
vuotuista keskilämpötilaa. Kuvassa 6.7 on esitetty Suomen keskilämpötilat kaudelta
1977–2006. Kirkkonummella maanpinnan lämpötilaksi asetettiin +5,0 °C ja Oulussa
+1,5 °C. Laskennan reunaehdoksi asetettiin myös lämpötila 3 metrin syvyydellä
maanpinnasta. Kirkkonummella lämpötilan arvioitiin olevan +10,0 °C ja Oulussa +3,0
°C. Laskennan suorittamiseksi tarvittiin myös mallinnettavan talven pakkaskuukausien
keskilämpötilat. Mallinnettavien ratakohteiden oletettiin kuuluvan alusrakenneluokkaan
1 tai 2, joten mitoittavina pakkasmäärinä käytettiin pakkasmääriä F20 ja F50 (kuvat 6.9
59
ja 6.10) luvussa 2 esitetyn taulukon 2.2 mukaisesti. Lisäksi laskennassa käytettiin
pakkasmäärää F10 (kuva 6.8). Esimerkiksi pakkasmäärä F50 tarkoittaa tilastollisesti
keskimäärin kerran viidessäkymmenessä vuodessa toistuvaa suurinta pakkasmäärää.
Pakkasmäärät on laskettu Ilmatieteenlaitoksen säähavainnoista kaudelta 1978–2007.
Kuva 6.7. Vuoden keskilämpötila (C°)
(Ilmatieteenlaitos).
Kuva 6.8. Kerran 10 vuodessa toistuva suurin
pakkasmäärä (Ratahallintokeskus 2008).
Kuva 6.9. Kerran 20 vuodessa toistuva suurin
pakkasmäärä (Ratahallintokeskus 2008).
Kuva 6.10. Kerran 50 vuodessa toistuva suurin
pakkasmäärä (Ratahallintokeskus 2008).
60
Talven pakkaskuukausien keskilämpötilat määritettiin selvittämällä ensin kuvan 6.11
käyrästöstä mitoitustalven pakkasmäärän kertymän jakautuminen kuukausille lokakuuhuhtikuu. Sijoittamalla saadut kuukausien pakkasmäärät kaavaan (6-5) saatiin laskettua
jokaisen kuukauden keskilämpötila. Kuvassa 6.11 ja kaavassa (6-5) pakkasmäärän
yksikkönä on kelvintunti, mutta kaavan tuloksena saadaan kuitenkin kuukauden
keskilämpötila celsiusasteina. Tulos on mahdollinen, sillä kelvin- ja celsiusasteikon
asteikkoväli on sama. Molemmissa yksiköissä erotus veden jäätymislämpötilaan (0 °C)
on yhtä suuri. Mallinnuksessa käytetyt talvikauden kuukausien keskilämpötilat on
esitetty taulukoissa 6.3 ja 6.4.
Kuva 6.11. Pakkasmäärän jakautuminen talvikuukausille (Kivikoski ja Saarelainen
2000).
T
=
jossa
(6-5)
T on kuukauden keskilämpötila [ ]
F on kuukauden pakkasmäärä [Kh]
t on kuukauden pituus [h]
61
Taulukko 6.3. Mitoittavien pakkasmäärien F10, F20 ja F50 mukaiset talvikuukausien
keskilämpötilat (°C) Kirkkonummella.
Kuukausi
Lokakuu
Kirkkonummi
F10
-
Kirkkonummi
F20
-
Kirkkonummi
F50
-
Marraskuu
-1,39
-1,81
-2,36
Joulukuu
-7,26
-9,14
-11,56
Tammikuu
-10,89
-13,17
-16,26
Helmikuu
-12,50
-15,18
-18,60
Maaliskuu
-6,67
-8,06
-10,08
Huhtikuu
-0,14
-0,14
-0,14
Taulukko 6.4. Mitoittavien pakkasmäärien F10, F20 ja F50 mukaiset talvikuukausien
keskilämpötilat (°C) Oulussa.
Kuukausi
Lokakuu
Marraskuu
Joulukuu
Tammikuu
Helmikuu
Maaliskuu
Huhtikuu
Oulu
F10
-0,81
-6,11
-12,50
-15,19
-17,11
-11,11
-1,81
Oulu
F20
-1,21
-7,64
-14,92
-17,61
-19,94
-12,63
-2,22
Oulu
F50
-1,61
-9,58
-18,28
-20,70
-23,36
-15,05
-2,92
6.3.2 Laskennan kulku
Mallien luominen aloitettiin määrittämällä jokaisen laskentatapauksen geometria.
Elementtiverkon tiheydeksi asetettiin 0,2 m. Mallinnusta jatkettiin asettamalla
maamateriaaleille ja XPS-levylle ohjelman edellyttämät laskentaparametrit.
TEMP/W:ssä materiaalimallina voidaan käyttää Full thermal modelia tai Simplified
thermal modelia. Simplified thermal modelia käytetään, kun voidaan olettaa kaiken
maaperän sisältämän veden jäätyvän 0 °C:ssa. Kuten luvussa 3 on todettu,
jäätymättömän veden osuus pakkaslämpötiloissa on pienempi karkearakeisissa kuin
hienorakeisissa maalajeissa. Hiekassa, sorassa ja moreenissa jäätymättömän veden
osuus pakkaslämpötilassa on vain 1–2 %, joten maalajien materiaalimalliksi valittiin
Simplified thermal model. Myös routalevyn materiaalimalliksi valittiin Simplified
thermal model. Kuvassa 6.12 on esitetty mallin geometria Kirkkonummen kohteessa
laskentatapauksessa 2, kun ratarakenteeseen on asennettu 80 mm:n paksuinen XPSlevy.
62
Kuva 6.12. Mallin geometria ja elementtiverkko laskentatapauksessa 2, kun routalevy
on asennettu eristyskerroksen yläpintaan.
Kun mallien geometria oli luotu ja materiaaleille oli asetettu laskentaparametrit,
määritettiin stationäärisen, ajasta riippumattoman tilan (steady state) lämpötilakenttä.
Laskennan reunaehdoiksi asetettiin maanpinnan ja ratapenkereen pinnan lämpötila sekä
lämpötila kolmen metrin syvyydellä maanpinnasta ajanhetkellä t = 0. Mallinnusta
jatkettiin asettamalla alkuhetken lämpötilakenttä mallin hetkellistä tilaa (transient state)
muuttuvissa lämpöoloissa kuvaavan mallin alkutilaksi. Maanpinnan ja ratapenkereen
pinnan lämpötilaksi asetettiin talvikuukausien keskilämpötilat. Laskennan hetkellistä
tilaa kuvaava malli on ajasta riippuvainen ja aika-askelten suuruudeksi asetettiin kunkin
pakkaskauden
kuukauden
päivien
määrä.
Kirkkonummella
laskenta-ajan
kokonaispituudeksi muodostui siis 181 päivää ja Oulussa 212 päivää.
Laskenta aloitettiin, kun mallien geometria, laskentaparametrit ja reunaehdot oli
määritetty. Hetkellistä tilaa kuvaava malli huomioi käyttäjän asettamien
lämpötilareunaehtojen vaikutuksen lämmön siirtymiseen ja mallin avulla voitiin tutkia
0-isotermin etenemistä ratarakenteessa ja pohjamaassa pakkaskauden eri ajanhetkillä.
Kuvassa 6.13 on esitetty TEMP/W:llä saatava lämpöteknisen analyysin mallinnustulos
kuvan 6.12 laskentatapauksessa, kun mallinnuksen alkuhetkestä on kulunut 90 päivää.
Kirkkonummen kohteessa on siis kyseessä tammikuu. Routarajan sijainti on kuvattu
sinisellä katkoviivalla. Mitoittavana pakkasmääränä on käytetty pakkasmäärää F50.
63
Kuva 6.13. Roudan syvyys ratarakenteessa tammikuussa kuvan 6.12 mukaisessa
laskentatapauksessa.
Mallinnustulosten visuaalisessa tarkastelussa on huomioitava, ettei laskentatapauksiin
mallinnettu lumipeitettä. Luvussa 3 todetun mukaisesti lumella on lämpöä eristävä
vaikutus alhaisen lämmönjohtavuutensa vuoksi. Talven aikana kertyvä lumipeite toimii
lämpöeristeenä ratapenkereen jätkänpolulla ja luiskissa. Erityisesti, jos rata sijaitsee
leikkauksessa, lunta voi talven aikana kertyä merkittävä määrä sivuojiin ja luiskiin.
Lumikerros vaikuttaisi 0-isotermin muotoon siten, että isotermi kulkisi tasaisemmin
eristelevyn alapintaa pitkin, eikä sukeltaisi levyn keskeltä ratapenkereen sivuille yhtä
jyrkästi, kuten kuvassa 6.13.
64
7 Laskennan tulokset
7.1 Routalevyn sijainnin vaikutus roudan tunkeutumiseen
Kuvissa 7.1 ja 7.2 on esitetty roudan syvyys mitoitustalvena F50 Kirkkonummella ja
Oulussa laskentatapauksissa 1 ja 2. Laskentatapauksessa 1 routalevy asennettiin
välittömästi tukikerroksen alapuolelle ja laskentatapauksessa 2 routalevy asennettiin
kaivamalla syvyyteen Kv - 0,85 m. Laskentatulosten perusteella voidaan todeta, ettei
levyn sijainnilla ollut merkitystä roudan maksimisyvyyteen levypaksuuksilla 40 mm ja
80 mm. Eristelevyn sijainti vaikutti kuitenkin routarajan ulottumiseen pakkaskauden
alussa, sillä mitä syvemmällä ratarakenteessa levy oli, sitä syvemmälle routa ulottui
Kirkkonummella marraskuussa ja Oulussa lokakuussa. Ensimmäisten talvikuukausien
jälkeen syvyyserot tasoittuivat ja 0-isotermi eteni molemmissa laskentatapauksissa
samaan syvyyteen. Laskentatapauksessa 2 välikerroksen maamateriaali vaihdettiin
mallinnuksessa hiekasta soraan. Laskennassa käytettyjen hiekan ja soran
materiaaliparametrien väliset erot olivat niin pieniä, ettei maa-aineksen vaihtamisella
ollut vaikutusta roudan syvyyteen laskentatapauksissa1 ja 2.
Kuvasta 7.1 nähdään, että suurin mallinnuksessa käytetty levypaksuus 120 mm pysäytti
Etelä-Suomessa tehokkaasti roudan tunkeutumisen levyn alapuolella olevaan
alusrakennekerrokseen. Koska routaraja jäi levyn tasolle, levyn sijainti ratarakenteessa
määritti roudan maksimisyvyyden. Kuvasta 7.2 nähdään, että Pohjois-Suomessa
eristelevypaksuus 120 mm ei pysäyttänyt täysin routarajan etenemistä, mutta hidasti
merkittävästi roudan tunkeutumista ratarakenteeseen. Lähemmäs pohjamaata asennettu
paksu routalevy vei myös Oulussa routarajan syvemmälle. Routaeristyksen tarkoitus on
estää roudan tunkeutuminen routivaan pohjamaahan, joten on tarkoituksenmukaista
pyrkiä
pysäyttämään
0-isotermi
mahdollisimman
kauas
pohjamaasta.
Laskentatapauksissa paksuin eristelevy kannatti siis asentaa suoraan tukikerroksen
alapuolelle, jotta routarajan ja pohjamaan väliin jäi mahdollisimman paksu
alusrakennekerros.
Marraskuu
Joulukuu
Tammikuu
Helmikuu Maaliskuu
Huhtikuu
0,2
Roudan syvyys [m]
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
LT1: 40 mm
LT2: 40 mm
LT1: 80 mm
LT2: 80 mm
LT1: 120 mm
LT2: 120 mm
1,6
Kuva 7.1. Roudan syvyys Kirkkonummella mitoitustalvena F50 laskentatapauksessa 1,
jossa routalevy on suoraan tukikerroksen alapuolella ja laskentatapauksessa 2, jossa
routalevy on asennettu eristyskerroksen yläpintaan.
65
Roudan syvyys [m]
Lokakuu Marraskuu Joulukuu Tammikuu Helmikuu Maaliskuu Huhtikuu
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
LT1: 40 mm
LT2: 40 mm
LT1: 80 mm
LT2: 80 mm
LT1: 120 mm
LT2: 120 mm
Kuva 7.2. Roudan syvyys Oulussa mitoitustalvena F50 laskentatapauksessa 1, jossa
routalevy on suoraan tukikerroksen alapuolella ja laskentatapauksessa 2, jossa
routalevy on asennettu eristyskerroksen yläpintaan.
Kuvissa 7.3, 7.4, 7.5 ja 7.6 on esitetty Kirkkonummen ja Oulun kohteiden
lämpötilaprofiilit laskentatapauksissa 1 ja 2, kun ratarakenteeseen on asennettu 80 mm
eristelevy ja routaraja on syvimmillään. Routaraja saavutti Kirkkonummella
maksimisyvyytensä (1,03 m) helmikuussa. Oulussa routaraja oli syvimmillään
maaliskuussa ulottuen 1,67 metrin syvyyteen. Kuvista nähdään, miten syvemmälle
ratarakenteessa asennettu levy vie Kirkkonummella isotermin -8 C° ja Oulussa
isotermin -1,5 C° lähemmäs pohjamaata. Koska kuvissa esitetyissä tilanteissa EteläSuomessa on helmikuu ja Pohjois-Suomessa jo maaliskuu, Oulun kohteessa routalevyn
pinnan lämpötila on Kirkkonummea suurempi.
Kuva 7.3. Roudan maksimisyvyys Kirkkonummen kohteessa laskentatapauksessa 1, kun
ratarakenteeseen on asennettu 80 mm routalevy.
66
Kuva 7.4. Roudan maksimisyvyys Kirkkonummen kohteessa laskentatapauksessa 2, kun
ratarakenteeseen on asennettu 80 mm routalevy.
Kuva 7.5. Roudan maksimisyvyys Oulun kohteessa laskentatapauksessa 1, kun
ratarakenteeseen on asennettu 80 mm routalevy.
Kuva 7.6. Roudan maksimisyvyys Oulun kohteessa laskentatapauksessa 2, kun
ratarakenteeseen on asennettu 80 mm routalevy.
67
Kuvissa 7.7 ja 7.8 on esitetty kuvaajan muodossa ratapenkereen ja pohjamaan lämpötila
eri syvyyksillä kuvissa 7.3 ja 7.4 esitetyissä tilanteissa Kirkkonummella. Kuvaajista
nähdään, miten tehokkaasti ratarakenteeseen asennettu eristelevy pysäyttää lämmön
siirtymisen lävitseen. Ensimmäisessä laskentatapauksessa lämpötila eristelevyn pinnalla
on -8,40 °C ja alapinnalla -1,35 °C. Toisessa laskentatapauksessa lämpötila eristelevyn
pinnalla on -8,04 °C ja alapinnalla -0,80 °C. Eristelevy hidastaa lämpövirran
poistumista maaperästä ja mitä lähemmäs radan pintaa levy asennetaan, sitä suurempi
lämpömäärä jää levyn alle.
2
Korkeus (m)
1
0
-1
-2
-3
-4
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Lämpötila (°C)
Kuva 7.7. Ratapenkereen ja pohjamaan lämpötilat eri syvyyksillä kuvan 7.3 mukaisessa
laskentatapauksessa Kirkkonummella.
2
Korkeus (m)
1
0
-1
-2
-3
-4
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Lämpötila (°C)
Kuva 7.8. Ratapenkereen ja pohjamaan lämpötilat eri syvyyksillä kuvan 7.4 mukaisessa
laskentatapauksessa Kirkkonummella.
Routalevyn asennussyvyyteen vaikuttavat myös levyn asentamiseen ja radan
korjaustoimenpiteiden suorittamiseen liittyvät näkökohdat. Välittömästi tukikerroksen
alapuolelle asennettuun routalevyyn kohdistuu suuri rasitus, kun raidesepelirakeet
painautuvat levyyn. Suoraan tukikerroksen alapuolella oleva routalevy aiheuttaa myös
ongelmia päällysrakenteiden korjaustoimenpiteiden yhteydessä, sillä ratarakenteessa
68
olevat levyt vaurioituvat helposti sepelinseulontakoneen terien alla. Jos
toimintakuntoiset
eristelevyt
jätetään
tukikerroksen
kunnostuksen
ajaksi
ratarakenteeseen, levyjen työnaikaisesta suojauksesta syntyy lisäkustannuksia.
Kustannustehokkainta onkin ajoittaa vanhojen routalevyjen vaihto tukikerroksen
uusimisen yhteyteen. Syvemmälle ratarakenteeseen asennettu routalevy ei aiheuta
ongelmia päällysrakenteen korjaustoimenpiteiden suoritukselle ja levy on paremmin
suojassa junaliikenteen dynaamiselta kuormitukselta. Levyn asentaminen ja
vaihtaminen voi kuitenkin edellyttää suuria kaivutöitä, joiden suorittaminen
rataympäristössä on hankalaa.
7.2 Roudan
syvyys
ratarakenteessa
eristämättömässä
ja
eristetyssä
7.2.1 Roudan syvyys eristämättömässä ratarakenteessa
Kuvassa 7.9 on esitetty roudan syvyyden kehittyminen routaeristämättömässä
ratarakenteessa mitoituspakkasmäärien F10, F20 ja F50 mukaisina talvina
Kirkkonummella ja Oulussa. Kirkkonummella pakkaskausi alkoi lokakuussa ja Oulussa
marraskuussa. Molemmissa kohteissa routaraja ulottui mitoittavina talvina
ratarakenteen läpi pohjamaahan, joten tarkasteltavat ratapenkereet on eristettävä
routalevyillä. Oulussa routa ulottui pohjamaahan talvena F10 0,45 m, talvena F20 0,55
m ja ankarimpana talvena F50 0,83 m. Kirkkonummella routa ulottui pohjamaahan
talvena F10 0,35m, talvena F20 0,49 m ja talvena F50 0,70 m. Etelä-Suomessa routa oli
syvimmillään helmikuussa ja Pohjois-Suomessa maaliskuussa.
Kuvasta 7.9 nähdään, että routa tunkeutui mitoittavana talvena F50 keskimäärin 0,2–0,3
m syvemmälle kuin talvena F20. Talveen F10 verrattuna routa tunkeutui mitoittavana
talvena F50 keskimäärin 0,35–0,40 m syvemmälle. Pohjois-Suomessa routa tunkeutui
keskimäärin 0,5–0,6 m syvemmälle ratarakenteeseen ja pohjamaahan kuin EteläSuomessa. Tulosten tarkastelussa on huomioitava, että pakkaskauden kestoksi oletettiin
laskennassa talvikuukausien kokonaispituus. Todellinen pakkasjakson pituus on
lyhyempi, mikä korostuu etenkin pakkaskauden viimeisen kuukauden eli huhtikuun
kohdalla. Laskennassa huhtikuun päivien lämpötilaksi asetettiin kuukauden
keskimääräinen lämpötila, joka sekä Oulussa että Kirkkonummella oli nollan
alapuolella. Todellisuudessa huhtikuussa lämpötilat alkavat kuun loppua kohden nousta
nollan yläpuolelle, joten routa alkaa sulaa laskennassa saatuja tuloksia nopeammin.
69
Kirkkonummi F50
Roudan syvyys [m]
0,5
Oulu F50
1
Kirkkonummi F20
1,5
Oulu F20
Kirkkonummi F10
2
Oulu F10
2,5
3
Kuva 7.9. Roudan syvyys Oulussa ja Kirkkonummella
ratarakenteessa mitoittavina talvina F10, F20 ja F50.
eristämättömässä
7.2.2 Roudan syvyys Kirkkonummella eristetyssä ratarakenteessa
Kuvissa 7.10, 7.11 ja 7.12 on esitetty routalevyn asentamisen vaikutus roudan
syvyyteen Kirkkonummella mitoittavina talvina F10, F20 ja F50. Ratapenkereen
korkeus Kirkkonummella on 1,20 m, joten kuvista huomataan, ettei mitoittavana talvena
F50 levypaksuus 40 mm riitä estämään roudan tunkeutumista pohjamaahan.
Rakenteeseen on asennettava paksuudeltaan 60 mm routalevy. Mitoittavina talvina F10
ja F20 jo eristelevypaksuus 40 mm riittää estämään roudan tunkeutumisen routivaan
pohjamaahan.
Marraskuu
Joulukuu
Tammikuu
Helmikuu
Maaliskuu
Huhtikuu
Roudan syvyys [m]
0,2
0,4
0,6
40 mm
60 mm
80 mm
0,8
100 mm
1
120 mm
1,2
Kuva 7.10. Roudan syvyys Kirkkonummella mitoitustalvena F10, kun routaeristelevy on
asennettu tukikerroksen alapuolelle.
70
Marraskuu
Joulukuu
Tammikuu
Helmikuu
Maaliskuu
Huhtikuu
Roudan syvyys [m]
0,2
0,4
40 mm
0,6
60 mm
80 mm
0,8
100 mm
1
120 mm
1,2
1,4
Kuva 7.11. Roudan syvyys Kirkkonummella mitoitustalvena F20, kun routaeristelevy on
asennettu tukikerroksen alapuolelle.
Marraskuu
Roudan syvyys [m]
0,2
Joulukuu
Tammikuu
Helmikuu
Maaliskuu
Huhtikuu
0,4
40 mm
0,6
60 mm
0,8
80 mm
1
1,2
1,4
100 mm
120 mm
1,6
Kuva 7.12. Roudan syvyys Kirkkonummella mitoitustalvena F50, kun routaeristelevy on
asennettu tukikerroksen alapuolelle.
RATO 3:ssa esitetään mitoituskäyrästöt, joiden perusteella määritetään routimattoman
eristetyn ratarakenteen vähimmäispaksuus. Routamitoituksen lähtötietoina tarvitaan
mitoittava pakkasmäärä sekä paikkakunnan vuotuinen keskilämpötila. Taulukossa 7.1
on esitetty RATO 3:n mukaiset routimattoman eristetyn ratarakenteen vaaditut
kokonaispaksuudet Kirkkonummella mitoittavilla pakkasmäärillä F10, F20 ja F50. Kun
verrataan TEMP/W:llä saatuja laskentatuloksia RATO 3:n mukaisiin arvoihin,
huomataan tulosten olevan hyvin yhteneväisiä. Laskennan perusteella määritetyt
routalevyjen minimipaksuudet täyttävät RATO 3:n vaatimukset.
Ratateknisten ohjeiden mitoituskäyrästöt perustuvat roudan syvyyden laskentaan.
Käyrästöistä luettava tapauskohtainen routimattoman rakenteen minimipaksuus vastaa
siis roudan maksimisyvyyttä. TEMP/W:llä saadut roudan syvyyden arvot poikkeavat
vain hieman RATO 3:n arvoista. Suurimmat erot ovat mitoitustalven F50 tuloksissa.
TEMP/W:llä saadut roudan maksimisyvyydet levypaksuuksilla 40 mm, 60 mm ja 80
mm ovat keskimäärin 0,1 m suurempia kuin RATO 3:n käyrästöissä esitetyt arvot. Erot
ovat kuitenkin niin pieniä, ettei niillä ole vaikutusta eristelevypaksuuden valintaan.
71
Taulukko 7.1. RATO 3:n mukainen routimattoman rakenteen minimipaksuus
Kirkkonummella, kun ratarakenteeseen on asennettu routalevy.
Routimattoman rakenteen vähimmäispaksuus (m)
Routalevypaksuus (mm)
Kirkkonummi F10 Kirkkonummi F20 Kirkkonummi F50
40
1,01
1,18
1,30
60
0,81
0,95
1,09
80
0,80
0,80
0,90
100
0,80
0,80
0,80
120
0,80
0,80
0,80
7.2.3 Roudan syvyys Oulussa eristetyssä ratarakenteessa
Kuvissa 7.13, 7.14 ja 7.15 on esitetty routaeristeen asentamisen vaikutus roudan
syvyyteen Oulussa mitoittavina talvina F10, F20 ja F50. Ratapenkereen korkeus
Oulussa on 1,65 m ja kuvista nähdään, että levypaksuudella 40 mm routa ulottuu
kaikkina mitoitustalvina pohjamaahan eli levypaksuus on riittämätön. Mitoittavana
talvena F10 ratarakenteeseen asennettavan routalevyn sopiva paksuus on 60 mm ja
talvena F20 80 mm. Ankarimpana mitoittavana talvena F50 eristelevypaksuus 100 mm
riittää estämään roudan tunkeutumisen routivaan pohjamaahan.
Lokakuu Marraskuu Joulukuu Tammikuu Helmikuu Maaliskuu Huhtikuu
Roudan syvyys [m]
0,4
0,6
40 mm
0,8
60 mm
1
1,2
80 mm
1,4
100 mm
1,6
120 mm
1,8
2
Kuva 7.13. Roudan syvyys Oulussa mitoitustalvena F10, kun routaeristelevy on
asennettu tukikerroksena alapuolelle.
72
Roudan syvyys [m]
Lokakuu Marraskuu Joulukuu Tammikuu Helmikuu Maaliskuu Huhtikuu
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
40 mm
60 mm
80 mm
100 mm
120 mm
Kuva 7.14. Roudan syvyys Oulussa mitoitustalvena F20, kun routaeristelevy on
asennettu tukikerroksen alapuolelle.
Roudan syvyys [m]
Lokakuu Marraskuu Joulukuu Tammikuu Helmikuu Maaliskuu Huhtikuu
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
40 mm
60 mm
80 mm
100 mm
120 mm
Kuva 7.15. Roudan syvyys Oulussa mitoitustalvena F50, kun routaeristelevy on
asennettu tukikerroksen alapuolelle.
Taulukossa 7.2 on esitetty RATO 3:n mitoituskäyrästöjen mukaiset routimattoman
eristetyn ratarakenteen vähimmäispaksuudet Oulussa mitoittavilla pakkasmäärillä F10,
F20 ja F50. Kun verrataan TEMP/W:llä saatuja laskentatuloksia RATO 3:ssa
esitettyihin arvoihin, huomataan myös Oulun kohteessa tulosten olevan hyvin
yhteneväisiä. TEMP/W:llä määritetyt vaadittavat routalevypaksuudet ovat
mitoitustalvea F50 lukuun ottamatta RATO 3:n mukaisia. TEMP/W:n laskentatulosten
perusteella mitoitustalvena F50 ratarakenteeseen tulee asentaa 100 mm:n eristelevy.
Ratateknisten ohjeiden mukaan jo levypaksuus 80 mm on riittävä.
Kun verrataan TEMP/W:llä laskettuja roudan maksimisyvyyksiä RATO 3:n mukaisiin
syvyyksiin, huomataan että myös Oulun kohteessa erot ovat melko pieniä. Roudan
syvyydet vaihtelevat keskimäärin vain 0,05–0,1 m. Suurimmat erot ovat mitoitustalven
F50 tuloksissa. Eristelevypaksuuksilla 60 mm, 80 mm ja 100 mm TEMP/W laskee
roudan tunkeutuvan RATO 3:ssa esitettyjä arvoja 0,1 m syvemmälle.
73
Taulukko 7.2. RATO 3:n mukainen routimattoman rakenteen minimipaksuus Oulussa,
kun ratarakenteeseen on asennettu routalevy.
Routimattoman rakenteen vähimmäispaksuus (m)
Routalevypaksuus (mm)
Oulu F10
Oulu F20
Oulu F50
40
1,82
1,98
2,10
60
1,58
1,70
1,78
80
1,50
1,47
1,57
100
1,24
1,30
1,37
120
1,10
1,18
1,25
7.3 Routalevyn alle tehtävän massanvaihdon syvyys
Jos radan alusrakennekerroksen materiaali on routivaa, asennettavan routalevyn alle on
tehtävä massanvaihto, jossa routiva maamateriaali vaihdetaan routimattomaan.
Massanvaihto tehdään niin syvälle kuin routaraja ulottuu, jotta alusrakenteessa ei
tapahdu routimista. RATO 3:ssa ohjeistetaan, että luonnonmateriaaleista tehtävän
massanvaihdon minimisyvyys on 300 mm. Taulukossa 7.3 on esitetty routarajan
etäisyys routalevyn alapinnasta talvina F10, F20 ja F50 Kirkkonummella ja Oulussa.
Laskennassa tutkittiin tilannetta, jossa routalevy asennetaan tukikerroksen alapuolelle.
Taulukko 7.3. Routarajan syvyys eristelevyn alapinnasta Kirkkonummella ja Oulussa.
Kohde ja
mitoituspakkasmäärä
Kirkkonummi F10
Kirkkonummi F20
Kirkkonummi F50
Oulu F10
Oulu F20
Oulu F50
Roudan etäisyys (m) routalevyn alapinnasta
mitoittavina talvina F10, F20 ja F50
40 mm
60 mm
80 mm
100 mm
0,37
0,19
0
0
0,58
0,39
0,21
0,11
Pohjamaassa
0,54
0,40
0,22
Pohjamaassa
0,90
0,77
0,52
Pohjamaassa Pohjamaassa
1,00
0,73
Pohjamaassa Pohjamaassa Pohjamaassa
0,82
120 mm
0
0
0
0,43
0,57
0,60
Taulukosta 7.3 nähdään, että RATO 3:n mukainen massanvaihdon minimisyvyys 300
mm on riittävä vain Kirkkonummella mitoitustalvena F10 eristelevypaksuudella 60 mm,
mitoitustalvena F20 eristelevypaksuuksilla 80 mm ja 100 mm sekä mitoitustalvena F50
eristelevypaksuudella 100 mm. Routarajan jäädessä alusrakennekerrokseen roudan
syvyys eristelevyn alla vaihtelee Kirkkonummella välillä 0,11–0,58 m. Kun 0-isotermin
etäisyys routalevyn alapinnasta on 0,58 m, routa on jo hyvin lähellä pohjamaata, joten
massanvaihto on järkevää tehdä koko alusrakenteen paksuudelta. Tässä työssä
määritettiin, että talvina F10 ja F20 Kirkkonummen kohteessa ratarakenteeseen on
asennettava paksuudeltaan 40 mm routalevy. Talvena F50 riittävä eristelevypaksuus on
60 mm. Kaikkien mitoitettujen levypaksuuksien alle tarvitaan syvempi massanvaihto
kuin 300 mm.
74
Oulussa massanvaihdon minimisyvyys 300 mm ei ole riittävä yhdessäkään tutkitussa
laskentatapauksessa. Kun routaraja jää alusrakennekerrokseen, eikä tunkeudu
pohjamaahan, roudan syvyys eristelevyn alla vaihtelee välillä 0,43–1,0 m. Kun 0isotermin etäisyys routalevyn alapinnasta on 1 m, routaraja on alusrakenteen ja
pohjamaan rajalla, joten massanvaihto on tehtävä koko alusrakennekerroksen
paksuudelta. Tässä työssä määritettiin, että talvena F10 Oulun kohteessa
ratarakenteeseen on asennettava paksuudeltaan 60 mm routalevy. Talvena F20 riittävä
eristelevypaksuus on 80 mm ja talvena F50 100 mm. Kaikkien mitoitettujen
levypaksuuksien alle tarvitaan vähintään 500 mm syvempi massanvaihto kuin 300 mm.
Taulukossa 7.3 roudan etäisyydeksi eristelevyn alapinnasta on merkitty 0, jos levy
pysäyttää routarajan etenemisen levyn alapuoliseen alusrakenteeseen. Routalevyn oma
lämpökapasiteetti on kuitenkin niin pieni, että routa tunkeutuu todennäköisesti hieman
levyn alapuolelle, eikä routalevyä siksi saa asentaa suoraan routivan alusrakenteen
päälle. Myös paksujen routalevyjen alle on siis tehtävä matala massanvaihto. Eristelevyt
saattavat myös vaurioitua käyttöikänsä aikana, jolloin niiden lämmöneristyskyky
heikkenee ja routa tunkeutuu levyn alapuolelle routivaan alusrakenteeseen.
7.4 Laskentatulosten arviointi
TEMP/W on käyttöliittymältään melko yksinkertainen ohjelma ja sen toimintaan voi
perehtyä monipuolisen käyttöoppaan avulla. Elementtimenetelmään perustuva
TEMP/W on tehokas työkalu monimutkaisten ja haastavien lämpöteknisten ongelmien
ratkomiseen, mutta käyttäjällä on aina suuri vastuu lopputuloksen arvioinnista.
Luotettavien laskentatulosten saavuttaminen edellyttää, että mallinnettavan ongelman
pohjasuhde- ja lämpöparametritiedot ovat hyvin selvillä. Tässä työssä ei tutkittu
olemassa olevia kohteita, joten laskentaparametreina käytettiin mallinnettavien
maamateriaalien keskimääräisiä lämpöteknisiä arvoja. Kirjallisuudesta löytyvien
lämpöparametrien vaihteluväli on kuitenkin suuri ja esimerkiksi valituilla
lämmönjohtavuuden arvoilla on merkittävä vaikutus ohjelman laskentatulokseen.
Tulosten tarkastelussa on huomioitava, että laskennassa käytettiin samoja
lämpöparametreja routimattomalle ja routivalle hiekalle. Tehdyt koemallinnukset
osoittivat, että erot routimattoman ja routivan alusrakennehiekan lämpöparametreissa
eivät vaikuttaneet merkittävästi roudan syvyyteen. Jos mallinnetaan olemassa olevaa
kohdetta, laskennassa voidaan parhaassa tapauksessa käyttää oikeita kohdekohtaisia
maaparametreja, jotka on määritetty maanäytteille tehdyillä laboratoriokokeilla.
TEMP/W:n laskentatulosten tulkintaa varten käyttäjän on ymmärrettävä ohjelman
taustalla vaikuttava geotekninen teoria ja eri parametrien vaikutus mallinnustuloksiin.
Mallinnustulos perustuu käyttäjän antamiin lähtöarvoihin, eikä ohjelma arvioi
parametrien luotettavuutta. Mallinnuksen alkuvaiheessa on kiinnitettävä erityistä
huomiota lähtöparametrien yksiköihin ja tarvittaviin yksikkömuunnoksiin. Esimerkiksi
TEMP/W:n käyttämä lämpökapasiteetin yksikkö on J/m³°C, eikä tässä työssä
75
lämpökapasiteetin kaavoissa esitetty Wh/m³K. Lisäksi on huomioitava, että TEMP/W
käyttää vesipitoisuutena tilavuusvesipitoisuutta, eikä vesipitoisuutta painoprosentteina.
TEMP/W:llä
tutkitut
laskentatapaukset
olivat
karkeita
yksinkertaistuksia
todellisuudesta, kuten numeeriset mallit aina. Roudan tunkeutumiseen ratarakenteessa
vaikuttaa monia muuttujia, joiden perusteellinen huomioiminen mallinnuksessa on
käytännössä mahdotonta. Tämän työn laskentatapauksissa maanpinnan lämpötilan
oletettiin vastaavan mallinnettavan kohteen vuotuista ilman keskilämpötilaa.
Todellisuudessa maanpinnan lämpötila ei ole täysin sama kuin ilman lämpötila ja
lämpötila luonnollisestikin vaihtelee vuosittain. Lisäksi myös lumipeitteen paksuus ja
siten sen eristävä vaikutus vaihtelee vuosittain ja talven aikana kuukausittain.
Rataympäristössä routarajan etenemisen kannalta on myös merkitystä syksyllä juuri
ennen pakkaskauden alkamista tulevilla sateilla. Jos sateet ovat runsaita, ratarakenteen
vesipitoisuus kasvaa merkittävästi. Ratarakenteen vesipitoisuuteen vaikuttaa myös
muun muassa ratarakenteen kuivatuksen toimivuus sekä pohjavedenpinnan läheisyys.
Elementtimenetelmään perustuvan lämpömallinnusohjelman käyttäjällä on oltava
käsitys routarajan syvyyden realistisista arvoista. Roudan syvyyden suuruusluokkaa on
järkevää arvioida esimerkiksi roudan syvyyden käsinlaskentakaavoilla, jotta mahdolliset
virheet mallin geometriassa tai laskentaparametreissa voidaan korjata. Jos
mallinnuskohteena on olemassa oleva ratarakenne, laskennan tueksi olisi hyvä suorittaa
muutamia empiiriä mittauksia, jotta voidaan varmistua ohjelman laskemien roudan
syvyyksien oikeellisuudesta. Tässä työssä TEMP/W:llä laskettuja roudan
maksimisyvyyksiä
erilaisissa
laskentatapauksissa
verrattiin
RATO
3:n
mitoituskäyrästöjen mukaisiin roudan syvyyksiin. Laskennalla saadut roudan syvyydet
sekä Kirkkonummella että Oulussa olivat melko yhteneväisiä RATO 3:n käyrästöistä
luettavien syvyyksien kanssa. TEMP/W:llä määritetyt routalevypaksuudet täyttivät
myös Ratateknisten ohjeiden vaatimukset, joten voidaan päätellä, että saadut
laskentatulokset ovat suuruusluokaltaan oikeita ja luotettavia.
76
8 Routakorjausten kustannukset ja elinkaaritarkastelu
8.1 Elinkaariajattelu ratamaailmassa ja välilliset kustannukset
Suomessa
väyliä
koskeva
elinkaarisuunnittelu
on
painottunut
teiden
elinkaaritutkimuksiin ja vasta viime vuosien aikana myös ratamaailmassa on alettu
siirtyä elinkaariajattelun soveltamiseen päätöksenteon apuvälineenä (Väisänen ja
Nurmikolu 2012). Kuvassa 7.1 on esitetty elinkaarihallinnan käsitteet. Elinkaarella
tarkoitetaan ajanjaksoa, joka käsittää rakenteen kaikki vaiheet raaka-aineen hankinnasta
loppusijoitukseen tai kierrätykseen. Käyttöikä on se elinkaaren osa, jonka ajan
rakennetta voidaan käyttää ja se täyttää sille asetetut tekniset vaatimukset. Käyttöiän
aikana rakennetta on taloudellisesti kannattavaa kunnossapitää ja käyttöikä koostuukin
kunnossapitojaksoista. Kestoikä käsittää kaikki rakenteen valmistamisen ja
turmeltumisen väliset vaiheet. Käyttöiän jälkeen rakenteella voi olla jäljellä vielä
kestoikää, mutta kestoiän lopussa rakenteen tekninen kunto on heikentynyt niin paljon,
että sen käyttämisestä aiheutuu lisäkustannuksia. Kestoiän päättyessä rakennetta ei
voida enää käyttää ja käytön jatkamiseksi rakenne tulisi uusia kokonaan. (KorkialaTanttu et al. 2005.)
Kuva 7.1. Elinkaariajattelun käsitteistö (Korkiala-Tanttu et al. 2005).
Elinkaarikustannuksiin lasketaan mukaan kaikki rakenteen elinkaaren aikana sen
rakentamisesta, käytöstä ja ylläpidosta sekä loppusijoituksesta syntyvät kustannukset.
Elinkaarikustannusten hallinnalla pyritään tunnistamaan kaikki investointeihin liittyvät
kustannukset ja minimoimaan kustannukset siten, että rakenne kuitenkin täyttää kaikki
sille asetetut tekniset ja toiminnalliset vaatimukset. Elinkaaritarkasteluiden tavoitteena
on
selvittää
toteutettavan
hankkeen
tai
valinnan
rahassa
mitattava
yhteiskuntataloudellinen kokonaiskannattavuus huomioimalla hankkeen ekologisuus,
taloudellisuus ja toiminnallisuus. Radanpidossa on päämääränä tehdä yhä enemmän
elinkaaritaloudellisia investointeja, jotta raideliikenteen käyttäjille voidaan tarjota
turvallisia matkoja mahdollisimman tehokkaasti sekä taloudellisesti että ekologisesti.
Huolellisella korjaustoimenpiteiden suunnittelulla eli valitsemalla kohteeseen parhaiten
77
soveltuva
korjausratkaisu
ja
materiaalit,
voidaan
vaikuttaa
elinkaarikustannuksiin merkittävästi. (Koskela 2011, Macchi et al. 2012.)
rakenteen
Rataympäristö on monimutkainen kokonaisuus ja elinkaaritaloudellisissa tarkasteluissa
tulisi huomioida myös korjauksista ja kunnossapidosta välillisesti syntyvät
kustannukset, joita aiheutuu muun muassa raideliikenteen viivästyksistä,
aikataulumuutoksista, korvaavien kuljetusten järjestämisestä sekä radan suorituskyvyn
alenemisesta. Välillisiä kustannuksia muodostuu myös raideliikenteen imagon
kärsimisestä, joka saattaa johtaa asiakkaiden menettämiseen. Kustannuslaskelmiin tulisi
sisällyttää myös yhteiskunnalle aiheutuvat kustannukset ja vastaavasti yhteiskunnan
saamat hyödyt. Laskelmissa toimenpiteiden aikaan saamat hyvät vaikutukset näkyvät
niin kutsuttuina positiivina kustannuksina. Välillisten kustannusten arviointi on usein
haastavaa, sillä esimerkiksi ajalle on määritettävä rahallinen arvo. (Väisänen ja
Nurmikolu 2012.)
Routavaurioiden aiheuttamista viivytyksistä ja rataverkon suoritus- sekä välityskyvyn
alenemisesta aiheutuu kustannuksia sekä matkustajille että liikennöitsijälle.
Routarajoituksista aiheutuvat kustannukset koostuvat matkustajien kokemasta haitasta,
matkustajatulon vähenemisestä, kalustokierron ja henkilökunnan kustannuksista sekä
routarajoitusten suunnittelu- ja asennuskustannuksista. Rajoituksesta syntyvien
kustannusten suuruuteen vaikuttaa rajoituksen laajuus sekä asennettavien baliisien ja
merkkien määrä. Liikennevirasto vastaa rajoitusten suunnittelusta sekä baliisien ja
merkkien asentamisesta ja poistosta. Matkustajat ovat oikeutettuja saamaan VR:ltä
korvauksia, mikäli kaukojunamatka viivästyy yli tunnin. Tapauskohtaisesti korvauksia
voi saada myös myöhästymisestä aiheutuvan jatkoyhteyden katkeamisen vuoksi.
(Liikennevirasto 2011b.)
Matkustajille viivästysten tai aikataulumuutosten vuoksi aiheutuvaa haittaa voidaan
arvioida rahassa laskemalla matkustajien ajalle hinta käyttämällä vahvistettuja
tieliikenteen yksikköarvoja. Yksikköarvon suuruus määräytyy matkan tarkoituksen
perusteella taulukon 7.1 mukaisesti. Junamatkoista tehdään työajan sisällä noin 15 % ja
loput 85 % ovat muita matkoja. Mikäli rataosakohtainen matkan tarkoitusjakauma
tunnetaan, sitä tulee käyttää aikakustannusten laskennassa. Muulloin voidaan käyttää
keskimääräistä junamatkustajan ajan arvoa, jonka suuruudeksi saadaan 7,1 euroa/tunti.
(Ratahallintokeskus 2004b.) Myöhästymisten aiheuttamien todellisten kustannusten
suuruuden selvittäminen on kuitenkin vaikeaa, sillä liikenteen epätäsmällisyydestä
syntyvät kustannukset ovat aina tapauskohtaisia.
78
Taulukko 7.1. Matka-ajan yksikköarvojen suuruus Suomessa vuoden 2000 hintatasossa
(Ratahallintokeskus 2004b).
Matkan tarkoitus / junamatkan pituus
Matkustajan ajan arvo (euroa / tunti)
Työajan matka
24,08
Työ- tai asiointimatka
4,07
Vapaa-ajan matka
4,07
Vuoden 2011 Roudan hallintaraportissa on määritetty teoreettisen routapaikkakohtaisen
myöhästymisen suuruus. Myöhästyminen määritellään sallitun nopeuden ja
routanopeusrajoituksen aikaerona routapaikkaa ohitettaessa. Teoreettinen matka-ajan
hidastuminen eri rataväleillä vuonna 2011 on esitetty liitteessä 4. Pienimmät roudan
aiheuttamat myöhästymiset ovat kestoltaan alle 2 minuuttia ja pahimmin routavaurioista
kärsivillä rataosilla, kuten välillä Oulu-Kontiomäki myöhästymiset ovat paikoin yli 20
minuuttia. Vuonna 2011 välin Oulu-Kontiomäki toteutuneet myöhästymisminuutit
talven ja kevään ajalta olivat kokonaisuudessaan noin 750 minuuttia ja ratavälin
liikenne hidastui suurimmillaan 47 minuuttia (Liikennevirasto 2011b).
Elinkaaritarkasteluissa voidaan taulukossa 7.1 esitettyjen ajan arvojen perusteella
arvioida routakorjauksilla saavutettavan matka-ajan säästön tuottamia hyötyjä
matkustajalle. Tarkastellaan esimerkkinä välin Oulu-Kontiomäki kilometriväliä
877+300–894+200, jolla routarajoitukset olivat vuonna 2011 voimassa 54 vuorokautta
ja välin liikenne hidastui routarajoitettuna aikana 2,9 minuuttia matkaa kohden
(Liikennevirasto 2011b). Liikennevirasto tilastoi vuosittain henkilöliikenteen matkoja
rataosittain ja vuonna 2011 välillä Oulu-Kontiomäki tehtiin 135 000 matkaa. Jos
arvioidaan karkeasti, että yhden vuorokauden aikana matkoja tehtiin 375 kappaletta,
voidaan laskea keskimääräinen junamatkustajan ajan arvon säästö, mikäli kilometrivälin
routavauriot korjattaisiin. Routarajoituksen keston aikana tehtiin arviolta 20 250
matkaa, joista jokainen viivästyi 2,9 minuutilla, joten keskimääräiseksi matkustajien
ajan arvoksi saadaan 6950 euroa. Tarkasteluissa on huomioitava myös routakorjausten
ajaksi ratavälille asetettu nopeusrajoitus tai välin liikennöinnin täydellinen
katkaiseminen korjausten ajaksi.
Jotta elinkaarikustannustarkasteluita voidaan tehdä, tarvitaan luotettavaa ja
yksityiskohtaista tietoa radan kunnossapitotoimenpiteiden ja korjausten kustannuksista.
Tarkasteluissa on huomioitava, että rataympäristö koostuu lukuisista erilaisista
teknisistä osista, jotka ovat kaikki kytkeytyneitä toisiinsa (Macchi et al. 2012).
Kustannuksia voidaan arvioida sitä tarkemmin, mitä enemmän ymmärretään radan
kunnon kehittymiseen ja kustannusten muodostumiseen vaikuttavia tekijöitä. Kaikkien
mahdollisten kustannusten suuruuden arvioiminen on kuitenkin hyvin hankalaa, ellei
mahdotonta, sillä infrarakenteiden elinkaareen vaikuttaa paljon ulkoisia tekijöitä, joiden
ennakointi on vaikeaa. Lisäksi ratarakenteiden elinkaari on niin pitkä, että
79
tarkasteluaikaan
sisältyy
paljon
epävarmuustekijöitä.
Laskennalliset
elinkaarikustannukset eivät siis aina vastaa todellisen elinkaaren aikana syntyviä
kustannuksia. On kuitenkin olemassa erilaisia tekniikoita, joiden avulla voidaan kehittää
yksinkertaisia malleja, joilla kuvataan monimutkaista rataympäristöä. Malleissa
käytettyjen funktioiden parametrien epävarmuutta ja niiden valintaan sisältyviä riskejä
voidaan arvioida tilastollisesti ja siten on mahdollista saada arvio mallin avulla saatujen
tulosten luotettavuudesta. (Kuula-Väisänen ja Nurmikolu 2012.)
8.2 Elinkaaritalouteen
korjaussuunnittelu
perustuva
routaongelman
Vuoden 2011 Roudan hallintaraportissa on alustavasti arvioitu selvityksessä mukana
olleiden 11 rataosan routakorjauskustannusten suuruudeksi 80,3 miljoonaa euroa.
Kustannukset perustuvat oletukseen, että valtaosa routahaittojen korjauksista voidaan
toteuttaa päällysrakennetöillä tai routalevyjen asentamisella. Suurin korjaustarve on
rataosilla Kouvola-Joensuu, Pieksämäki-Joensuu, Oulu-Kontiomäki sekä IisalmiYlivieska, joiden korjausten kustannukset ovat yhteensä 48 miljoonaa euroa.
Routakorjausten rataosakohtaista kannattavuutta voidaan tarkastella vertaamalla
korjauskustannuksia korjauksilla saavutettavaan liikenteelliseen hyötyyn. Parhaat
liikenteelliset hyödyt suhteessa kustannuksiin saadaan ratavälien Oulu-Kontiomäki,
Iisalmi-Kontiomäki, Laurila-Rovaniemi sekä Kouvola-Joensuu korjauksilla. Välien
korjauskustannukset ovat yhteensä noin 40 miljoonaa euroa. (Liikennevirasto 2011a.)
Jos Suomen koko rataverkko korjattaisiin tasoon F10, korjauskustannukset nousisivat
500 miljoonaan euroon ja arvioituja routahaittoja olisi 1500 kilometrin matkalla.
Routapaikkojen poistaminen tasoon F10 ei kuitenkaan ole taloudellisesti mahdollista,
eikä elinkaaritaloudellisesti kannattavaa. Pahimmat routapaikat onkin priorisoitava
siten, että kohteiden korjauksilla saavutetaan mahdollisimman hyviä tuloksia
kustannustehokkaasti. Routakohteiden erillisrahoituksen määrän arvioinnissa tulee
huomioida ratavälit, joiden päällysrakennetyöt sisältyvät Liikenneviraston lähivuosien
investointiohjelmiin ja mahdolliset päällekkäiset kohteet on poistettava.
(Liikennevirasto 2011a.)
Tampereen teknillisen yliopiston ”Ratojen routaongelmien korjaustoimenpiteiden ja
routasuojauksen elinkaaritaloudelliset perusteet (RARELI)” –projektissa pyritään
luomaan menettely, jonka avulla routaongelmakohteiden korjaustoimenpiteitä koskeva
päätöksenteko voidaan perustaa ratkaisuvaihtoehtojen elinkaaritaloudellisuuteen.
Menettely perustuu routaongelman syiden ymmärtämiseen sekä ongelmien toistuvuuden
mallintamiseen. Lisäksi tarkasteluun otetaan mukaan korjaustoimenpiteiden
kustannustiedot.
Menettely etenee vaiheittain ja lähtee liikkeelle määrittämällä routanousulle
laskentamalli, joka perustuu arvioituun maakerrosten routivuuteen ja roudan syvyyteen.
Prosessia jatketaan määrittämällä malli routanousun ja roudan aiheuttaman
80
epätasaisuuden välille. Malli perustuu mitattujen routanousujen ja raiteentarkastuksen
mittaaman epätasaisuuden väliseen yhteyteen. Kun routanousun laskentamalli sekä
routanousun ja roudan aiheuttaman raiteen epätasaisuuden välille muodostettu malli
yhdistetään, saadaan malli, joka kertoo raiteen epätasaisuuden sekä sen tilastollisen
toistumistiheyden. Tavoitteena on, että mallin avulla voitaisiin ennustaa routanousua ja
sen toistumistiheyttä kohdekohtaisesti siten, että rakenteen olosuhteet, materiaalit ja
ilmastotiedot otetaan huomioon. (Nurmikolu 2011a.)
Elinkaaritaloudellista tarkastelua jatketaan arvioimalla erisuuruisten epätasaisuuksien
aiheuttamia liikennehaitta- ja kunnossapitokustannuksia toteumien perusteella. Saadut
tiedot integroidaan epätasaisuusmalliin ja lopputuloksena saadaan malli, joka kertoo
roudan aiheuttaman liikennehaitta- ja kunnossapitokustannuksen sekä haitan
tilastollisen toistumistiheyden. Lopuksi toteumien perusteella arvioidaan vielä
routaongelman
eri
syiden
korjauskustannukset.
Routaongelmakohteiden
korjaussuunnittelu voidaan toteuttaa mahdollisimman elinkaaritaloudellisesti laskemalla
korjausten hyöty-kustannussuhde vertaamalla korjaamisella poistuvien liikennehaitta- ja
kunnossapitokustannusten nykyarvoa korjauskustannuksiin. (Nurmikolu 2011a.)
Rautatieliikenne on voimakkaasti sidottu raiteeseen ja muutokset yhdellä rataosuudella
vaikuttavat kaikkeen liikennöintiin, joten korjauskohteiden valinnassa on otettava
huomioon rataverkko kokonaisuutena. Kun yksittäinen routapaikka korjataan, muutos
vaikuttaa muiden kohteiden taloudellisesti kannattavaan korjausjärjestykseen. Lisäksi
on selvitettävä, miten yhden merkittävän routapaikan korjaaminen vaikuttaa rataverkon
liikenteellisiin oloihin, jos vertailuvaihtoehtona on useamman pienen vaurion
korjaaminen.
8.3 Tukikerroksen korjaustoimenpiteiden kustannukset
8.3.1 Sepelin seulonta ja vaihto
Sepelin puhdistuksen ja vaihdon kustannusten suuruuteen vaikuttavat monet muun
muassa radan rakenteesta sekä käytettävän kiviaineksen laadusta ja määrästä riippuvat
tekijät. Lisäksi esimerkiksi tasoristeys- ja vaihdealueilla tukikerroksen korjaamiseen
sisältyy linjaosuuksia enemmän työvaiheita, joten myös kustannukset ovat suuremmat.
Suomen rataverkon omistava Liikennevirasto vastaa ratojen kunnossapidosta ja
kilpailuttaa kunnossapitourakat, joten korjaustoimenpiteiden kustannuksiin vaikuttaa
suuresti vallitseva markkinatilanne.
Tukikerroksen vaihdossa ja seulonnassa sepelin hankintakustannukset muodostuvat
kiviaineksen yksikköhinnan, laadun, määrän sekä kuljetusetäisyyden perusteella.
Taloudellisinta on, jos tukikerrosmateriaali voidaan välivarastoida lähellä
perusparannuskohdetta. Etenkin tiheästi liikennöidyillä rataosuuksilla sepelin laadulla
on suuri merkitys, sillä dynaamisen kuormituksen kasvaessa sepelin hienoneminen
nopeutuu, mikä edesauttaa routimiselle otollisten olosuhteiden kehittymistä.
81
Nurmikolun (2000) diplomityössä kerrotaan, että kiviaineksen lujuusluokka valitaan
elinkaarikustannusvertailun avulla eri lujuusluokan kiviaineksista saatujen tarjousten,
kiviainesten odotettavissa olevan kestoiän sekä rataosuuden vuotuisen liikennemäärän
perusteella. Lujuudeltaan parasta raidesepeliä käytetään rataosilla, joiden vuotuinen
liikennemäärä on vähintään 9 miljoonaa bruttotonnia ja lujuusominaisuuksiltaan
heikointa sepeliä käytetään rataosilla, joiden liikennemäärä on 3 Mbrt tai pienempi.
Raidesepelin laatuvaatimukset on esitetty Ratahallintokeskuksen (nykyisin
Liikennevirasto) julkaisuissa SFS-EN 13450 raidesepelikiviainekset kansallinen
soveltamisohje (2004) ja Päällysrakennetöiden yleiset laatuvaatimukset.
Nurmikolu (2000) tutki diplomityössään raidesepelin lujuuden vaikutusta kiviaineksen
kestoikään. Tutkimustulokset osoittivat, että esimerkiksi raiteen ja pohjamaan
ominaisuuksien ohella myös kiviaineksen lujuudella on merkittävä vaikutus
raidesepelin kestoikään. Lujempi kiviaines on kalliimpaa, mutta myös kestävämpää.
Elinkaaritarkasteluissa on huomioitava huonompaa lujuusluokkaa olevan sepelin
hankinnassa saavutetut säästöt ja toisaalta lujempaa sepeliä aikaisempi uusimistarve.
Työssä todetaan myös, että tukikerrosmateriaalin kunnon kehittymistä tulisi seurata
elinkaaren alusta lähtien. Tukikerroksen säännöllisellä kunnossapidolla voidaan
pienentää routaongelmien kehittymistä ja välttyä ongelmien edellyttämiltä
nopeusrajoituksilta. Lisäksi tuennan tarvetta voidaan vähentää.
Tukikerroksen mitat ja siten tarvittava tukikerrosmateriaalin määrä määräytyvät
rataluokan, suurimman sallitun nopeuden, kiskonpituuden, tukikerrosmateriaalin sekä
ratapölkkytyypin perusteella. Tukikerroksen paksuus on betonipölkkyraiteella 550 mm
ja leveys 5100 mm. Puuratapölkkyraiteella tukikerroksen paksuus on 450 mm ja leveys
4900 mm. (Ratahallintokeskus 2004a.) Tarvittava sepelin määrä sepelinvaihdossa
betonipölkkyraiteella on siis noin 2,8 m³ / raidemetri ja puuratapölkkyraiteella 2,2 m³ /
raidemetri. Sepelinseulonnassa tarvittavan täydennyssepelin määrän vaikuttaa
tukikerroksen mittojen lisäksi parannettavan tukikerroksen kunto.
Työraon pituudella on suuri merkitys tukikerroksen kunnostuksen tehokkuuteen ja siten
kustannusten muodostumiseen. Sepelin puhdistukseen ja vaihtoon sisältyy useita
valmistelevia ja viimeisteleviä töitä, jotka lyhentävät varsinaiseen työhön käytettävissä
olevaa tehokasta aikaa, joten lyhyet työraot eivät ole kannattavia. Suomen liikennöidyn
rataverkon pituus vuonna 2011 oli 5919 kilometriä, josta 5349 kilometriä eli valtaosa
verkosta oli yksiraiteista (Liikennevirasto 2011c). Erityisesti yksiraiteisella radalla
työraon pituudella on suuri merkitys korjaustoimenpiteiden työsaavutuksiin, sillä
työajan päätyttyä esimerkiksi työkoneet on kuljetettava pois korjattavasta kohteesta ja
valmisteltava
uudestaan
käyttökuntoon
seuraavan
työvuoron
alussa.
Kustannustehokkainta on toteuttaa tukikerroksen korjaustoimenpiteet 8 tunnin
työraoissa. Pidempien työrakojen saaminen vilkasliikenteisillä rataosuuksilla on
kuitenkin hankalaa ja töitä tehdään usein yö- ja viikonloppuraoissa.
82
Taulukossa 7.2 on esitetty asiantuntija-arvion mukaisia tukikerroksen vaihdon ja
puhdistuksen keskimääräisiä kustannuksia linjaosuuksilla raidemetriä kohden.
Yksikköhintoihin sisältyy varsinaisen tukikerroksen vaihdon tai seulonnan lisäksi myös
muun muassa raidesepelin kuormaus, kuljetus ja asennus työalueelle, työnaikaiset
sähkö- ja turvalaitetyöt sekä valmistelevat ja viimeistelevät työvaiheet, kuten tarvittavat
mittaustyöt, tukikerroksen muotoilu sekä raiteen tukeminen ja oikominen.
Korjaustoimenpiteisiin ei sisälly routalevyn asentamista. (Nieminen 2013.)
Taulukko 7.2. Tukikerroksen puhdistuksen ja vaihdon keskimääräiset kustannukset
raidemetriä (rdm) kohden.
Toimenpide
Tukikerroksen vaihto, ei routalevyä
Tukikerroksen seulonta, ei routalevyä
yksikkö
rdm
rdm
€ / yksikkö
300,00
278,00
8.3.2 Tuenta
Tuenta tehdään sepelin vaihdon tai seulonnan yhteydessä tai erillisenä
korjaustoimenpiteenään. Jos tuenta tehdään tukikerroksen muun kunnostuksen
yhteydessä, tukemisen osuus kokonaiskustannuksista on asiantuntija-arvion mukaan
keskimäärin 10 € / rdm. VR Trackin käytössä on nopeita linjatukemiskoneita, joilla
voidaan tehdä pelkkää tuentaa ja kustannukseksi raidemetriä kohden muodostuu 3–5 €.
(Nieminen 2013.)
Tuennalla voidaan korjata roudan aiheuttamia raiteen epätasaisuuksia melko edullisesti,
mutta toimenpiteen suorittaminen hienontaa tukikerrosmateriaalia, jolloin
routaongelmat saattavat toimenpiteen seurauksena lisääntyä. Tarpeetonta tuentaa
tuleekin välttää. Ratateknisten ohjeiden osassa 15 ”Radan kunnossapito” ohjeistetaan,
että on tärkeää, ettei keväällä tapahtuvaa tuentaa suoriteta ennen kuin routa on täysin
sulanut. Raiteen geometria muuttuu jatkuvasti roudan sulaessa, joten raide saatetaan
joutua tukemaan uudestaan, jos ensimmäinen tuenta suoritetaan liian aikaisessa
vaiheessa.
8.4 Routalevytyksen kustannukset
Routalevyjen käyttöikävaatimus on 40 vuotta, mutta käytännössä levyt joudutaan
uusimaan tukikerroksen korjaustoimenpiteiden yhteydessä, sillä sepeliseulan terät
rikkovat vanhat levyt, mikäli ne on asennettu suoraan tukikerroksen alapuolelle
syvyyteen Kv - 0,55 m. Sepeli tulee seuloa koko tukikerroksen syvyydeltä, sillä
erityisesti kerroksen alaosaan, eristelevyn pinnalle kerääntyy hienorakenteista
routimisherkkää kiviainesta. Radoilla on kokeiltu myös radan korkeusviivan nostamista
levyjen asentamisen yhteydessä, jotta toimintakuntoiset eristelevyt voitaisiin jättää
paikoilleen, kun suoritetaan päällysrakenteen korjaustoimenpiteitä. Sähköistetyllä
radalla radan korkeusviivan korottaminen ei kuitenkaan ole ongelmatonta.
83
Routalevyjen elinikänä voidaan pitää tukikerroksen vaihto- tai puhdistusväliä. Olemassa
olevien ratojen rakenteissa on yhä käytössä laatuongelmista kärsineitä EPS-eristelevyjä,
jotka tulee korvata uusilla XPS-eristelevyillä tukikerroksen uusimisen yhteydessä.
Taulukosta 7.3 nähdään, että vanhan routalevyn poiston kustannukset ovat peräti 348
euroa raidemetriä kohden. Lisäksi vanhojen levyjen poisto hidastaa merkittävästi
tukikerroksen vaihdon etenemistä ja rikkoutuneet levyt voivat tukkia sepeliseulan ritilät.
Levyjen poiston korkeiden yksikkökustannusten vuoksi routaeristys ei ole
elinkaaritaloudellinen toimenpide, jos levyjen määriä ja paikkoja ei optimoida
huolellisesti.
Kun verrataan taulukon 7.2 ja taulukon 7.3 kustannuksia, havaitaan että kun
tukikerroksen vaihdon yhteydessä ratarakenteeseen asennetaan eristelevy, toimenpiteen
kokonaiskustannukset eivät muodostu merkittävästi pelkän tukikerroksen vaihdon
kustannuksia suuremmiksi. Routaeristyksen asentamisen kustannus tukikerroksen
vaihdon yhteydessä on levyn paksuudesta riippuen keskimäärin 57–87 € / rdm.
Kustannukset sisältävät vanhojen routalevyjen kuljettamisen hävitettäviksi
viranomaisten hyväksymällä tavalla. (Nieminen 2013.)
Taulukko 7.3. Routalevytyksen keskimääräiset yksikkökustannukset raidemetriä kohden.
Toimenpide
Tukikerroksen vaihto ja routalevyn (60 mm) asennus
Tukikerroksen vaihto ja routalevyn (80 mm) asennus
Tukikerroksen vaihto ja routalevyn (100 mm) asennus
Routalevyn poisto ratarakenteesta
yksikkö
rdm
rdm
rdm
rdm
€ / yksikkö
335,00
350,00
365,00
348,00
8.5 Massanvaihdon kustannukset
Massanvaihdon kustannuksiin vaikuttavat ensisijaisesti korjattavan kohteen
massansiirtoetäisyydet, pohjaolosuhteet sekä vaihdettavan massan määrä ja materiaali.
Taulukossa 7.4 on esitetty massanvaihdon keskimääräiset kustannukset, kun routiva
materiaali vaihdetaan kolmelta eri syvyydeltä. Taulukosta huomataan, että kustannukset
nousevat selkeästi mitä syvemmältä massat vaihdetaan. Myös työraon työsuorite laskee
massanvaihdon syvyyden kasvaessa. Kahdeksan tunnin työraossa syvyyteen Kv - 1,20
m tehtävän massanvaihdon keskimääräinen työsaavutus on 100 metriä, kun syvyyteen
Kv - 2,00 m tehtävän massanvaihdon työsaavutus on noin 50 metriä. (Nieminen 2013.)
Laajamittaisten syvien massanvaihtojen kustannukset rataympäristössä nousevatkin
melko korkeiksi. Massanvaihto soveltuu erityisen hyvin esimerkiksi vaihdealueille sekä
kohtiin, joita ei voida korjata muilla menetelmillä.
84
Taulukko 7.4. Massanvaihdon keskimääräiset yksikkökustannukset raidemetriä kohden.
Toimenpide
yksikkö
€ / yksikkö
Massanvaihto, Kv - 1,20 m
rdm
450,00
Massanvaihto, Kv - 1,60 m
rdm
550,00
Massanvaihto, Kv - 2,00 m
rdm
650,00
8.6 Kuivatuksen parantamisen kustannukset
8.6.1 Ojien perkaus, maaojan teko
Ojien perkauksen keskimääräiset kustannukset ovat 6–17 € /m. Maaojan teon
kustannukset ovat noin 28,50 € / m³. (Nieminen 2013.)
85
9 Johtopäätökset
9.1 Ratojen routaongelmat
Tämän työn kirjallisuusselvityksen tavoitteena oli perehtyä Suomen rataverkon
routaongelmiin. Radoilla routaongelmia aiheutuu perinteisestä routimisesta. Myös insitu routanousulla on merkitystä, sillä raiteelle asetetut tasaisuusvaatimukset ovat
suuret, eikä routanousuja sallita pääradoilla tapahtuvan ollenkaan. Routaongelman syy
voi löytyä radan päällysrakenteesta, alusrakenteesta tai pohjamaasta. Rataverkon
routakohteet ovat kuitenkin usein moniongelmaisia ja ongelmien syiden analysointi on
haastavaa. Routaongelmakohteiden poistaminen vaatii tuekseen monien eri alojen,
kuten geotekniikan ja liikennetekniikan osaamista. Routimiseen johtavat syyt tulee
selvittää ennen korjaustoimenpiteiden valintaa ja suorittamista ja tehtäessä
elinkaaritalouteen perustuvia korjaustoimenpidetarkasteluja koko rataympäristö tulee
huomioida kokonaisuutena. Esimerkiksi pohjamaan syvät massanvaihdot tulevat hyvin
kalliiksi ja routaongelman pienentämiseksi tuloksia voidaan usein saavuttaa
edullisemmaksi tulevalla routalevytyksellä. Kuitenkin, jos samassa kohteessa esiintyy
myös esimerkiksi stabiliteettiongelmia, massanvaihto voi olla kokonaisuuden kannalta
kannattavampi korjaustoimenpide.
Rataverkko muodostaa monimutkaisen kokonaisuuden, joka on vahvasti sidottu
raiteeseen. Muutos yhdellä rataosuudella heijastuu kertautuvasti koko verkkoon.
Rataverkon kunnossapidolle onkin ominaista, että korjaustoimenpiteiden suorittamisesta
aiheutuu lähes poikkeuksetta häiriöitä ja muutostöitä raideliikenteelle, eikä
liikennöinnin siirtäminen muille reiteille useinkaan rataympäristössä ole mahdollista.
Kun suunnitellaan routakorjaustoimenpiteitä, vastakkain on korjauksen suorittamisesta
matkustajille aiheutuva liikenteellinen haitta sekä routavaurion korjaamatta jättämisestä
syntyvä pidempiaikainen häiriö liikenteessä, kun routivalle rataosalle joudutaan
asettamaan nopeusrajoitus. Korjaukset pyritään aina toteuttamaan siten, että
raideliikenne
häiriintyy
mahdollisimman
vähän.
Lisäksi
routavaurioiden
korjausjärjestys priorisoidaan siten, että korjaustoimenpiteillä saavutetaan
mahdollisimman suuri liikenteellinen hyöty.
Ratojen routavaurioiden korjausten suunnittelua ja toteutusta rajoittaa korjauksiin
käytettävissä oleva rahamäärä. Korjaustoimenpiteiden huolellisella suunnittelulla on
pyrittävä siihen, että korjaukset tehdään mahdollisimman elinkaaritaloudellisesti ja
kustannustehokkaasti. Rataverkon routavaurioiden korjauskustannukset ovat kohde- ja
toimenpidekohtaisia. Kustannusten suuruuteen vaikuttavat monet tekijät, kuten
vallitseva markkinatilanne, käytettävissä oleva työrakojen pituus sekä radan yksi- tai
moniraiteisuus. On ensisijaisen tärkeää tunnistaa routavaurion oikea syy, jotta voidaan
valita sopiva korjaustoimenpide. Korjaustoimenpiteiden kustannuksia ei voida suoraan
verrata keskenään, jos toimenpiteet kohdistuvat radan eri rakennekerroksiin.
86
9.2 Roudan syvyyden laskenta TEMP/W:llä
Tämän työn laskentatapauksissa tarkasteltiin Etelä- ja Pohjois-Suomessa sijaitsevia
esimerkkikohteita.
Tarkasteltujen
ratapenkereiden
geometria
sekä
radan
rakennemateriaalit ja pohjamaan maalaji valittiin siten, että kohteet edustaisivat
keskimääräisiä kohteita valituilla sijainneilla. Laskennan yhtenä tavoitteena oli selvittää,
miten Etelä- ja Pohjois-Suomen pakkasmääräerot vaikuttavat mallinnuksen tuloksiin.
Laskentatulokset osoittivat selkeästi, että pakkasmääräerojen vuoksi ratarakenteiden ja
routalevyjen paksuuden on oltava Suomen pohjoisosissa maan eteläosaa suurempia.
Laskennassa tarkasteltiin kohteita, joiden ilmasto-olot edustivat kahta ääripäätä.
Laskennan tuloksia ei siis voida yleistää koskemaan koko Suomea. Monipuolisemman
käsityksen saamiseksi tarkasteluun tulisi vielä sisällyttää kohde ainakin KeskiSuomesta.
Työn laskentatapauksissa tutkittiin, oliko routalevyn asennussyvyydellä vaikutusta
routarajan ulottumaan Etelä-Suomessa Kirkkonummella ja Pohjois-Suomessa Oulussa.
Ensimmäisessä laskentatapauksessa routalevy asennettiin välittömästi tukikerroksen
alapuolelle ja toisessa laskentatapauksessa levy asennettiin eristyskerroksen yläpintaan.
Levypaksuuksilla 40 mm ja 80 mm tehdyt laskelmat osoittivat, että levyn
asennussyvyydellä oli vaikutusta pakkaskauden alussa, sillä routa eteni nopeasti
ratarakenteen läpi routalevyn pintaan ensimmäisten talvikuukausien aikana. Alemmas
ratarakenteessa asennettu eristelevy vei siis routarajan laskennan alkuvaiheessa
syvemmälle. Syvyyserot kuitenkin tasaantuivat talven aikana ja routa saavutti saman
maksimisyvyyden molemmissa laskentatapauksissa. Suurimmalla mallinnuksessa
käytetyllä levypaksuudella 120 mm routa tunkeutui ratarakenteessa sitä syvemmälle,
mitä alemmas ratarakenteeseen levy oli asennettu.
Routalevyjen tarkoituksena on estää roudan tunkeutuminen routivaan pohjamaahan ja
routaraja pyritään pysäyttämään mahdollisimman kauas pohjamaasta. Saatujen
laskentatulosten perusteella voidaan päätellä, että laskentatapausten kaltaisissa
tilanteissa erityisesti paksu routalevy kannattaa asentaa suoraan tukikerroksen
alapuolelle. Routalevy kannattaa asentaa lähelle ratarakenteen pintaa myös sen vuoksi,
että levy estää tehokkaasti rakenteessa olevan lämpömäärän poistumista. Jos eristelevy
asennetaan lähelle radan pintaa, on huomioitava, että ratarakenteen kantokestävyys tulee
tarkastaa. Laskennassa käytettiin pakkasmäärää F50 ja kolmea eri routalevypaksuutta.
Tässä työssä saatujen laskentatulosten varmentamiseksi laskentaan tulisi ottaa mukaan
myös muita mitoittavia pakkasmääriä ja Suomessa käytettyjä routalevypaksuuksia.
Tämän työn tavoitteena oli myös tutkia, miten syvä massanvaihto routalevyn alle tulee
tehdä, mikäli radan alusrakennemateriaali on routivaa. Laskennan tulokset osoittivat,
että RATO 3:ssa esitetty massanvaihdon vähimmäissyvyys 300 mm oli riittävä vain
osassa Kirkkonummen laskentakohteissa. Pohjois-Suomessa pakkasmäärät ovat EteläSuomen pakkasmääriä suurempia, joten routa tunkeutui ratarakenteessa syvemmälle ja
routalevyn alle oli tehtävä syvempi massanvaihto. Oulun kohteen kaikissa tutkituissa
87
laskentatapauksissa tarvittavan massanvaihdon syvyys oli vähintään 450 mm.
Muutamissa laskentatapauksissa massanvaihdon syvyys oli niin suuri, että on
kannattavampaa vaihtaa koko alusrakennekerros routimattomaan materiaaliin.
Vaadittavan massanvaihdon syvyys pieneni levypaksuuden kasvaessa, sillä paksu
eristelevy hidasti tehokkaasti roudan tunkeutumista levyn alapuolella olevaan
alusrakenteeseen. Laskennan tulosten perusteella voidaan todeta, että massanvaihdon
syvyys tulee suunnitella kohdekohtaisesti. Suunnittelussa tulee ottaa huomioon kohteen
maantieteellinen sijainti sekä olemassa olevan radan rakenne. Syvemmät massanvaihdot
ovat rataympäristössä matalia massanvaihtoja hankalampia ja kalliimpia toteuttaa.
Saatujen laskentatulosten perusteella voidaankin pohtia, olisiko tapauskohtaisesti
järkevää asentaa ratarakenteeseen paksuudeltaan ylimitoitettu routalevy, jonka alle
tarvitaan ohuempaa levyä matalampi massanvaihto. Päätöksen tueksi tulisi tehdä
kohdekohtainen kustannusvertailu.
Tässä työssä roudan syvyyslaskelmat tehtiin elementtimenetelmään perustuvalla
ohjelmalla TEMP/W. Ohjelmalla määritetyt roudan maksimisyvyydet ja sopivat
routalevypaksuudet tutkituissa laskentatapauksissa vastasivat hyvin RATO 3:n
mitoituskäyrästöistä luettuja tuloksia. Suurimmat erot TEMP/W:n laskentatulosten ja
RATO 3 roudan syvyyden arvojen välillä olivat 0,05–0,1 m. Saatujen laskentatulosten
perusteella voidaan päätellä TEMP/W:n soveltuvan hyvin käytettäväksi apuvälineenä
routalevymitoituksessa. Ohjelmalla voidaan myös laskea routalevyn alle tarvittavan
massanvaihdon syvyys, mikäli radan alusrakennemateriaali on routivaa. TEMP/W oli
tehokas sekä suhteellisen helppokäyttöinen ohjelma ja tässä työssä saatujen
käyttökokemusten perusteella ohjelmaa voidaan suositella käytettäväksi, kun halutaan
mallintaa lämmön siirtymisen vaikutuksia maaperässä.
88
Lähdeluettelo
Andersland, O., Ladanyi, B. 2004. Frozen Ground Engineering. Vol 2. John Wiley &
Sons. 400 s.
Burland, J.B. 1987. Nash Lecture: The Teaching of Soil Mechanics – a Personal View.
Proceedings, 9th ECSMFE, Dublin. Vol 3. S. 1427-1447.
Charlier, R., Hornych, P., Sršen, M., Hermansson, Å., Bjarnason, G., Erlingsson, S.,
Pavši , P. 2009. Water Influence on Bearing Capacity and Pavement Performance:
Field Observations. Teoksessa: Dawson, A. (toim.) Water in Road Structures. Nottingham, England. Vol. 5. Springer. S. 181-182.
Doré, G., Zubeck, H. 2009. Cold Regions Pavement Engineering. The McGraw-Hill
Companies. 416 s.
Ehrola, E. 1996. Liikenneväylien rakennesuunnittelun perusteet. Rakennustieto Oy.
Helsinki. 365 s.
GEO-SLOPE International Ltd. 2010. Thermal Modeling with TEMP/W 2007. Calgary,
Alberta, Canada. 224 s.
Goverde, R. 2005. Punctuality of Railway Operations and Timetable Stability Analysis.
Delft, The Netherlands. 310 s.
Gussmann, P., Schad, H., Smith, I. 2002. Geotechnical Engineering Handbook, vol 1.
John Wiley & Sons. 775 s.
Huttula, T. 2013. Hydrologia. Luentomateriaali. Jyväskylä.
Hölttä, P. 2011. Rautatietekniikka. Opetusmoniste. Espoo.
InfraRYL 2010. 2010. Rakennustieto Oy. Helsinki. 624 s.
Jumikis, A. 1977. Thermal geotechnics. New Jersey, the United States of America.
Rutgers University Press. 375 s.
Jääskeläinen, R. 2009. Routasuojaus. Teoksessa: Jääskeläinen, R. Pohjarakennuksen
perusteet. 2. painos. Jyväskylä. S. 159.
Kalliainen, A., Luomala H., Jäniskangas T., Nurmikolu A., Kolisoja P. 2011. Radan
eristys- ja välikerrosten tiiviys- ja kantavuustutkimus. Liikenneviraston tutkimuksia ja
selvityksiä 10/2011. 152 s.
Kivikoski, H., Saarelainen, S., Ahonen, M., Huttunen, E., Kujala, K. 2001.
Lämmönjohtavuuden määrittäminen. Tien pohja- ja päällysrakenteet tutkimusohjelma,
Menetelmäkuvaus TPPT 8. VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka. Espoo. 12 s.
Kivikoski, H., Saarelainen, S. 2000. Ilmastorasitus, Pakkasmäärän ja sulamiskauden
pituus. VTT Yhdyskuntatekniikka. Espoo. 11 s.
89
Kolisoja, P. 2011. Radan alusrakenne. Luentoaineisto.
erikoiskurssi. Tampereen teknillinen yliopisto. 19.10.2011.
Rautatiesuunnittelun
Korkiala-Tanttu, L., Törnqvist, J., Eskola, P., Pienimäki, M., Spoof, H., Mroueh, U-M.
2005. Elinkaaritarkastelut tienpidon hankintoihin, Kokemuksia kahdesta pilot kohteesta. Tiehallinnon selvityksiä 13/2005. Helsinki. 44 s.
Koskela, O-L. 2011. Ratojen elinkaariajattelu ja ratahankkeiden kannattavuuslaskennan
ongelmat. Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä. 8/2011. Helsinki. 69 s.
Kujala, K. 1996. Routivuuden määrittäminen. Seminaariesitelmä. 9 s.
Kuula-Väisänen, P., Nurmikolu, A. 2012. Kirjallisuusselvitys ratarakenteiden
elinkaaritaloudellisuuden arvioinnista. Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä
1/2012. 104 s.
Levomäki, M. 2007. Ratahallintokeskuksen radantarkastusjärjestelmä. Luentoaineisto.
Rautatiesuunnittelun erikoiskurssi. Tampereen teknillinen yliopisto. 14.11.2007.
Levomäki,
M.
2012a.
Radantarkastusjärjestelmä,
Tulosten
tulkinta.
Rautatiesuunnittelun erikoisopintojakso. Tampereen teknillinen yliopisto. 2.5.2012.
Levomäki, M. 2012b. Ratojen routavauriot. [verkkosivu]. Julkaisupäivä tuntematon
[viitattu 11/2012]. Saatavissa:
http://portal.liikennevirasto.fi/sivu/www/f/kunnossapito/routa_kelirikko/routavauriot.
Liikennevirasto. 2011a. Roudan hallintaraportti 2011. VR Track Oy, Rautatiesuunnittelu, Helsinki. 30 s.
Liikennevirasto. 2011b. Routaselvitys 2010-2011. Liikenteellinen
tarkastelu. VR Track Oy, Rautatiesuunnittelu, Helsinki. 241 s.
ja geotekninen
Liikennevirasto. 2011c. Suomen rautatietilasto 2011. Liikenneviraston tilastoja 5/2011.
Helsinki. 52 s.
Liikennevirasto. 2012. Rautatieliikenteen täsmällisyys 2011. Helsinki. 54 s.
Lim, W. 2004. Mechanics of Railway Ballast Behaviour. The University of Nottingham. Nottingham, England. 188 s.
Luomala, H. 2010. Ratapenkereiden monitorointi. Liikenneviraston tutkimuksia ja
selvityksiä 22/2010. Helsinki. 85 s.
Macchi, M., Garetti, M., Centrone, D., Fumagalli, L., Pavirani, G-P. 2012. Maintenance
management of railway infrastructures based on reliability analysis. Reliability Engineering & System Safety. Vol. 104. S. 71-83.
Nieminen, K. 2013. Routakorjaustoimenpiteiden toteutuneet kustannukset.
[sähköpostiviesti]. Vastaanottaja: Soininen, S. Lähetetty 6.3.2013. klo 22.07 (GMT
+0200). Saatavissa: luottamuksellinen.
90
Nordal, R.S., Refsdal, G. 1989. Frost protection in design and construction. VTT Symposium 94, Frost in geotechnical engineering. Saariselkä, Finland, 13.-15.3.1989. Espoo, VTT. Vol 1. S. 127-163.
Nurmikolu, A. 2000. Raidesepelin lujuuden vaikutus tukikerroksen kestoikään.
Ratahallintokeskuksen julkaisuja A 4/2000. Helsinki. 93 s.
Nurmikolu, A., Kolisoja, P. 2002. Ratarakenteen routasuojaus. Ratahallintokeskuksen
julkaisuja A 1/2002. Ratahallintokeskus. Helsinki. 101 s.
Nurmikolu, A. 2004. Murskatun kalliokiviaineksen hienoneminen ja routivuus
radan rakennekerroksissa. Kirjallisuusselvitys. Ratahallintokeskuksen julkaisuja A
4/2004. Ratahallintokeskus. Helsinki. 193 s.
Nurmikolu, A. 2006. Ratarakenteessa käytettävien kalliomurskeiden hienoneminen
ja routimisherkkyys.
Ratahallintokeskuksen
julkaisuja
A 9/2006.
Ratahallintokeskus. Helsinki. 170 s.
Nurmikolu, A., Kolisoja, P. 2010. Sepelinpuhdistuksen vaikutukset raidesepelin
ominaisuuksiin. Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä 11/2010. Helsinki. 64 s.
Nurmikolu, A. 2011a. Radan routasuojaus ja olemassa olevien ratapenkereitten
parantaminen. Luentoaineisto. Rautatiesuunnittelun erikoiskurssi. Tampereen
teknillinen yliopisto. 19.10.2011.
Nurmikolu, A. 2011b. Radan tukikerros. Luentoaineisto. Rautatiesuunnittelun
erikoiskurssi. Tampereen teknillinen yliopisto. 9.11.2011.
Oksanen, T. 1999. Suomen lumipeitteen alueellinen vaihtelu. Pro gradu- tutkielma.
Helsingin yliopisto. Helsinki. 66 s.
Onninen, H. 2001a. Routanousukoe. Routimiskertoimen (SP) määritys laboratoriossa.
Tien pohja- ja päällysrakenteet tutkimusohjelma, Menetelmäkuvaus TPPT 6. VTT
Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka. Espoo. 13 s.
Onninen, H. 2001b. Roudan syvyyden määritys. Tien pohja- ja päällysrakenteet
tutkimusohjelma, Menetelmäkuvaus TPPT 5. VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka.
Espoo. 14 s.
Passi, T. 2007. Maatutkatekniikan hyödyntäminen radan tukikerroksen kunnon
arvioinnissa. Ratahallintokeskuksen julkaisuja 8/2007. Helsinki. 84 s.
Peltoniemi, M. 1988. Maa- ja kallioperän geofysikaaliset tutkimusmenetelmät.
Otakustantamo. Espoo. 411 s.
Ratahallintokeskus. 1998. Päällysrakennetöiden yleiset laatuvaatimukset. Tukikerroksen
vaihto-/puhdistustyön yleiset laatuvaatimukset. Helsinki. 8 s.
Ratahallintokeskus. 2000. Ratatekniset ohjeet RATO 15 Radan kunnossapito. Helsinki.
63 s.
91
Ratahallintokeskus. 2002. Ratojen routasuojaustarpeen selvittäminen, tutkimusohje.
Helsinki. 14 s.
Ratahallintokeskus. 2004a. Päällysrakennetöiden yleinen työselitys. Helsinki. 40 s.
Ratahallintokeskus. 2004b. Ratainvestointien hankearviointiohje. Helsinki. 44 s.
Ratahallintokeskus. 2004c. Standardin
kansallinen soveltamisohje. Helsinki. 7 s.
SFS-EN
13450
raidesepelikiviainekset
Ratahallintokeskus. 2005. Raiteentarkastustulokset ja niiden tulkinta. Helsinki. 22 s.
Ratahallintokeskus. 2006. Ratatekniset ohjeet RATO 13 Radantarkastus. Helsinki. 51
s.
Ratahallintokeskus. 2007. Rekisterien päivitysohje. Helsinki. 147 s.
Ratahallintokeskus. 2008. Ratatekniset ohjeet RATO 3 Radan rakenne. Helsinki.
50 s.
RIL 261-2013. 2013. Routasuojaus – rakennukset ja infrarakenteet. Suomen
Rakennusinsinöörien Liitto RIL ry. Helsinki. 89 s.
Saare, E., Wenner, C-G. 1957. Värmeledningstal hos olika jordarter. Norrköpings
Tidningars Aktiebolag. Norrköping, Sverige. 136 s.
Saarelainen, S. 1990. Luku 18 Jäätyneen maan fysiikka ja mekaniikka. In: Mäkelä, H.
RIL 157-2 Geomekaniikka II. Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL ry. Helsinki. S.
282-287.
Saarelainen, S. 2001a. Routimiskertoimen määritys. Tien pohja- ja päällysrakenteet
tutkimusohjelma, Menetelmäkuvaus TPPT 7. VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka.
Espoo. 13 s.
Saarelainen, S. 2001b. Frost heave design of embankments for high-speed railways.
Teoksessa: Correia, A., Brandl, H. (toim.) Geotechnics for Roads, Rail Tracks and Earth
Structures. The Netherlands. A.A. Balkema Publishers. S. 259-262.
Saarinen, M. 2008. Radan alusrakenteissa käytettyjen materiaalien routimisherkkyys.
Diplomityö. Ratahallintokeskuksen julkaisuja 7/2008. Helsinki. 75 s.
SGY. 1991. Maatutkaluotaus (Geofysikaaliset tutkimusmenetelmät). Rakentajain
Kustannus Oy. 60 s.
Soveri, J., Varjo M. 1977. Roudan muodostumisesta ja esiintymisestä Suomessa
vuosina 1955-1975. Vesihallitus. Helsinki. 57 s.
ThermiSol. 2013. [verkkosivu]. Julkaisupäivä tuntematon [viitattu 3/2013]. Saatavissa:
http://www.thermisol.fi/tuotteet-ja-palvelut/eriste/xps-eristeet.
92
Valkama, J. 2006. Routa, sen aiheuttamat pinnanmuodot ja ilmiöt sekä niiden merkitys
ihmistoiminnan kannalta. Geologian tutkimuskeskus. Oulu. 19 s.
Watzinger A., Kindem E., Michelsen B. 1938. Undersøkelser av
masseutskiftningsmaterialer for vei- og jernbanebygning. Norges geotekniske institutt.
24 s.
Woo, M. –k. 2012. Permafrost Hydrology. Springer. 563 s.
93
Liiteluettelo
Liite 1. Routimattoman radan rakennekerrosten kokonaispaksuus. 1 sivu.
Liite 2. Suomen rataverkon jako kunnossapitoalueisiin. 1 sivu.
Liite 3. Routapaikkojen sijoittuminen vuonna 2011. 1 sivu.
Liite 4. Matka-ajan hidastuminen routavaurioiden vuoksi vuonna 2011. 1 sivu.
Liite 1 (1/4)
Liite 1. Routimattoman radan rakennekerrosten
kokonaispaksuus
2
Liite 2. Suomen rataverkon jako kunnossapitoalueisiin
3
Liite 3. Routakohteiden sijoittuminen vuonna 2011
4
Liite 4. Matka-ajan hidastuminen routavaurioiden
vuoksi vuonna 2011